Korzystanie z energii elektrycznej i wody, nowy rodzaj silnika może wprawić mikroroboty w ruch

Rozejrzyj się, a prawdopodobnie zobaczysz coś, co działa na silniku elektrycznym. Siłowniki mikrohydrauliczne, cieńszy niż jedna trzecia szerokości ludzkiego włosa, okazują się być najmocniejszymi i najwydajniejszymi silnikami w mikroskali. Mocny i wydajny, wprawiają w ruch większość naszego świata, wszystko od naszych komputerów przez lodówki po automatyczne szyby w naszych samochodach. Ale te cechy zmieniają się na gorsze, gdy takie silniki są zmniejszane do rozmiarów mniejszych niż centymetr sześcienny.

Krople wody są wprowadzane do siłownika mikrohydraulicznego, który obraca się po przyłożeniu napięcia do elektrod, które ciągną kropelki w jednym kierunku. Średnica wewnętrzna siłownika w kształcie dysku wynosi 5 milimetry.

Zdjęcie: Glen Cooper

“W bardzo małych skalach, zamiast silnika dostajesz grzałkę,” powiedział Jakub Kedzierski, pracowników w MIT Lincoln Laboratory Chemiczny, Mikrosystem, i Nanoscale Technologies Group. Dziś, nie istnieje silnik, który byłby zarówno wysoce wydajny, jak i mocny przy mikrorozmiarach. I to jest problem, ponieważ silniki na taką skalę są potrzebne, aby wprawić w ruch zminiaturyzowane systemy — mikrogimbale, które mogą kierować lasery z ułamkiem stopnia na tysiące mil, małe drony, które mogą wcisnąć się we wrak, aby znaleźć ocalałych, a nawet boty, które mogą pełzać po przewodzie pokarmowym człowieka.

Aby pomóc systemom zasilania takim jak te, Kędzierski i jego zespół budują nowy typ silnika zwany siłownikiem mikrohydraulicznym. Siłowniki poruszają się z precyzją, efektywność, i moc, która nie była jeszcze możliwa w mikroskali. Artykuł opisujący tę pracę był opublikowany we wrześniu 2018 wydanie z Nauka Robotyka.

Siłowniki mikrohydrauliczne wykorzystują technikę zwaną elektrozwilżaniem, aby uzyskać ruch. Elektrozwilżanie przykłada napięcie elektryczne do kropelek wody na stałej powierzchni, aby zniekształcić napięcie powierzchniowe cieczy. Siłowniki wykorzystują to zniekształcenie, aby wymusić ruch kropel wody wewnątrz siłownika, i z nimi, cały siłownik.

“Pomyśl o kropli wody na oknie; siła grawitacji ją zniekształca, i porusza się w dół,” powiedział Kędzierski. “Tutaj, używamy napięcia do powodowania zniekształceń, co z kolei powoduje ruch.”

Siłownik zbudowany jest w dwóch warstwach. Dolna warstwa to blacha z wytłoczonymi elektrodami. Ta warstwa jest pokryta dielektrykiem, izolator, który ulega polaryzacji po przyłożeniu pola elektrycznego. Górna warstwa to arkusz poliimidu, mocny plastik, który ma wywiercone w nim płytkie kanały. Kanały prowadzą ścieżkę dziesiątek kropel wody, które są nakładane między dwie warstwy i są wyrównane z elektrodami. Aby powstrzymać parowanie, woda jest wstępnie mieszana z roztworem chlorku litu, która obniża ciśnienie pary wodnej na tyle, aby kropelki wielkości mikrometra mogły przetrwać miesiące. Kropelki zachowują zaokrąglony kształt (zamiast być zgniecionym między warstwami) ze względu na ich napięcie powierzchniowe i stosunkowo niewielki rozmiar.

Siłownik ożywa po przyłożeniu napięcia do elektrod, choć nie do wszystkich naraz. Odbywa się to w cyklu włączania dwóch elektrod na kroplę na raz. Bez napięcia, pojedyncza kropla wody spoczywa neutralnie na dwóch elektrodach, 1 oraz 2. Ale przyłóż napięcie do elektrod 2 oraz 3, i nagle kropla jest zdeformowana, rozciąganie, aby dotknąć elektrody pod napięciem 3 i ściągnięcie elektrody 1.

Ta pozioma siła w jednej kropli nie wystarcza do poruszenia siłownika. Ale z tym cyklem napięcia, który jest jednocześnie przykładany do elektrod pod każdą kroplą w szyku, cała warstwa poliimidu przesuwa się, aby złagodzić przyciąganie kropli do pod napięciem elektrod. Kontynuuj przełączanie napięcia przez, i kropelki nadal chodzą po elektrodach, a warstwa nadal się ślizga; wyłącz napięcie, a siłownik zatrzymuje się w swoich torach. Napięcie, następnie, staje się potężnym narzędziem do precyzyjnego sterowania ruchem siłownika.

Ale jak siłownik wypada na tle innych typów silników?? Dwiema metrykami służącymi do pomiaru wydajności są gęstość mocy, czyli ilość mocy jaką silnik wytwarza w stosunku do jego wagi, i wydajność, czyli miara zmarnowanej energii. Jednym z najlepszych silników elektrycznych pod względem wydajności i gęstości mocy jest silnik sedana Tesla Model S. Kiedy zespół testował siłowniki mikrohydrauliczne, odkryli, że są tuż za gęstością mocy Modelu S (w 0.93 kilowat na kilogram) i wydajność produkcji (w 60 procent sprawności przy maksymalnej gęstości mocy). Szeroko przewyższały siłowniki piezoelektryczne i inne rodzaje mikrosiłowników.

“Jesteśmy podekscytowani, ponieważ spełniamy ten punkt odniesienia, i wciąż się poprawiamy, ponieważ skalujemy do mniejszych rozmiarów,” Kędzierski powiedział. Siłowniki poprawiają się przy mniejszych rozmiarach, ponieważ napięcie powierzchniowe pozostaje takie samo niezależnie od wielkości kropli wody — a mniejsze krople zapewniają miejsce na jeszcze więcej kropelek, które mogą się wcisnąć i wywierać swoją poziomą siłę na siłownik. “Gęstość mocy po prostu strzela w górę. To jak posiadanie liny, której siła nie słabnie, gdy staje się cieńsza,” on dodał.

Najnowszy siłownik, jedna krawędź blisko Modelu S, miał separację 48 mikrometry między kropelkami. Zespół zmniejsza teraz to do 30 mikrometry. Projektują to, w tej skali, siłownik będzie pasował do Tesli Model S pod względem gęstości mocy, oraz, w 15 mikrometry, zaćmić to.

Zmniejszenie liczby siłowników to tylko jedna część równania. Drugim aspektem, nad którym zespół aktywnie pracuje, jest integracja 3D. Teraz, pojedynczy siłownik to system dwuwarstwowy, cieńszy niż plastikowy worek i elastyczny jak jeden. Chcą układać siłowniki w system przypominający rusztowanie, który może poruszać się w trzech wymiarach.

Kędzierski wyobraża sobie taki system naśladujący nasze ciała’ macierz mięśniowa, sieć tkanek, dzięki której nasze mięśnie osiągają natychmiastową pracę, potężny, i elastyczny ruch. Dziesięć razy silniejszy niż mięśnie, Siłowniki były na wiele sposobów inspirowane mięśniami, od elastyczności i lekkości po skład płynnych i stałych składników.

I tak jak mięsień jest doskonałym aktywatorem w skali mrówki czy słonia, te mikrohydrauliczne siłowniki, także, może mieć potężny wpływ nie tylko w mikroskali, ale w makro.

“Można sobie wyobrazić,” powiedział Eric Holihan, kto montował i testował siłowniki, “technologia stosowana do egzoszkieletów,” zbudowany z siłownikami działającymi jak realistyczny mięsień, skonfigurowany w elastyczne złącza zamiast kół zębatych. Albo skrzydło samolotu może zmienić kształt na polecenie elektryczne?, z tysiącami siłowników przesuwających się obok siebie, aby zmienić aerodynamiczny kształt skrzydła.

Podczas gdy ich wyobraźnia się kłębi, zespół stoi przed wyzwaniami w rozwoju dużych systemów siłowników. Jednym z wyzwań jest rozprowadzenie mocy przy takiej głośności. Równoległe wysiłki w laboratorium, które opracowują mikrobaterie do integracji z siłownikami, mogą pomóc rozwiązać ten problem. Kolejnym wyzwaniem jest opakowanie siłowników tak, aby wyeliminować parowanie.

“Niezawodność i opakowanie będą nadal głównymi pytaniami zadawanymi nam w związku z technologią, dopóki nie zademonstrujemy rozwiązania,” powiedział Holihan. “To jest coś, co zamierzamy zaatakować w nadchodzących miesiącach.”

Źródło: http://news.mit.edu, autorstwa Kylie Foy