Usando eletricidade e água, um novo tipo de motor pode colocar microrrobôs em movimento

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foto: Olhe em volta e provavelmente verá algo que funciona com um motor elétrico

“Olhe em volta e provavelmente verá algo que funciona com um motor elétrico, Olhe em volta e provavelmente verá algo que funciona com um motor elétrico,” disse Olhe em volta e provavelmente verá algo que funciona com um motor elétrico, equipe do MIT Lincoln Laboratory Químico, Micro sistema, e Nanoscale Technologies Group. Hoje, não existe nenhum motor que seja altamente eficiente e poderoso em microsize. E isso é um problema, porque motores nessa escala são necessários para colocar sistemas miniaturizados em movimento - microgimbais que podem apontar lasers para uma fração de grau ao longo de milhares de quilômetros, pequenos drones que podem se espremer nos destroços para encontrar sobreviventes, ou mesmo bots que podem rastejar pelo trato digestivo humano.

Para ajudar sistemas de energia como estes, Kedzierski e sua equipe estão fazendo um novo tipo de motor chamado atuador micro-hidráulico. Os atuadores se movem com um nível de precisão, eficiência, e poder que ainda não foi possível em microescala. Um artigo que descreve este trabalho foi publicado em setembro 2018 questão do Ciência Robótica.

Os atuadores microhidráulicos usam uma técnica chamada eletrowetting para obter movimento. A eletrowetting aplica uma tensão elétrica às gotículas de água em uma superfície sólida para distorcer a tensão superficial do líquido. Os atuadores aproveitam esta distorção para forçar as gotas de água dentro do atuador a se moverem, e com eles, todo o atuador.

“Pense em uma gota d'água em uma janela; a força da gravidade o distorce, e se move para baixo,” disse Kedzierski. “Aqui, usamos voltagem para causar a distorção, que por sua vez produz movimento.”

O atuador é construído em duas camadas. A camada inferior é uma folha de metal com eletrodos estampados nela. Esta camada é coberta com um dielétrico, um isolador que se torna polarizado quando um campo elétrico é aplicado. A camada superior é uma folha de poliimida, um plástico forte, que tem canais rasos perfurados nele. Os canais guiam o caminho de dezenas de gotas de água que são aplicadas entre as duas camadas e são alinhadas com os eletrodos. Para evitar a evaporação, a água é pré-misturada com uma solução de cloreto de lítio, que deprime a pressão de vapor da água o suficiente para que as gotículas do tamanho de um micrômetro durem meses. As gotículas mantêm seu formato arredondado (em vez de ser esmagado entre as camadas) devido à sua tensão superficial e tamanho relativamente pequeno.

O atuador ganha vida quando a tensão é aplicada aos eletrodos, embora não para todos eles de uma vez. É feito em um ciclo de ligar dois eletrodos por gota de cada vez. Sem tensão, uma única gota de água repousa neutra em dois eletrodos, 1 e 2. Mas aplique uma voltagem aos eletrodos 2 e 3, e de repente a gota é deformada, alongamento para tocar o eletrodo energizado 3 e puxando o eletrodo 1.

Esta força horizontal em uma gota não é suficiente para mover o atuador. Mas com este ciclo de tensão sendo aplicado em uníssono aos eletrodos sob cada queda na matriz, toda a camada de poliimida desliza para apaziguar a atração das gotas para os eletrodos energizados. Continue trocando a tensão, e as gotas continuam a caminhar sobre os eletrodos e a camada continua a deslizar sobre; desligue a tensão, e o atuador para em seus trilhos. A voltagem, então, torna-se uma ferramenta poderosa para controlar com precisão o movimento do atuador.

Mas como o atuador resiste a outros tipos de motores? As duas métricas para medir o desempenho são densidade de potência, ou a quantidade de potência que o motor produz em relação ao seu peso, e eficiência, ou a medida de energia desperdiçada. Um dos melhores motores elétricos em termos de eficiência e densidade de potência é o motor do sedã Tesla Model S. Quando a equipe testou os atuadores micro-hidráulicos, eles descobriram que eles estavam logo atrás da densidade de potência do Modelo S (em 0.93 quilowatt por quilograma) e saída de eficiência (em 60 por cento eficaz a densidade de potência máxima). Eles amplamente ultrapassado atuadores piezoelétricos e outros tipos de microatuadores.

“Estamos animado porque estamos cumprindo essa marca, e ainda estamos melhorando à medida que escala para tamanhos menores,” Kedzierski disse. Os actuadores melhorar com tamanhos mais pequenos porque a tensão de superfície continua a ser a mesma independentemente do tamanho da gota de água - e gotículas mais pequenas tornam ambiente durante ainda mais gotículas de espremer e exercem a sua força horizontal no actuador. “densidade de potência apenas atira para cima. É como ter uma corda cuja força não enfraquece à medida que fica mais fina,” ele adicionou.

O mais recente atuador, aquele afiando perto do Modelo S, teve uma separação de 48 micrômetros entre as gotas. A equipe agora está diminuindo isso para 30 micrômetros. Eles projetam que, nessa escala, o atuador corresponderá ao Tesla Model S em densidade de potência, e, em 15 micrômetros, eclipsar.

Reduzir os atuadores é apenas uma parte da equação. O outro aspecto em que a equipe está trabalhando ativamente é a integração 3D. Agora mesmo, um único atuador é um sistema de duas camadas, mais fino que um saco plástico e flexível como um também. Eles querem empilhar os atuadores em um sistema semelhante a um andaime que pode se mover em três dimensões.

Kedzierski imagina tal sistema imitando nossos corpos’ matriz muscular, a rede de tecidos que permite que nossos músculos atinjam instantaneamente, poderoso, e movimento flexível. Dez vezes mais poderoso que o músculo, os atuadores foram inspirados pelos músculos de várias maneiras, desde sua flexibilidade e leveza até sua composição de componentes fluidos e sólidos.

E assim como o músculo é um excelente atuador na escala de uma formiga ou de um elefante, esses atuadores microhidráulicos, também, poderia ter um impacto poderoso não apenas em microescala, mas na macro.

“Pode-se imaginar,” disse Eric Holihan, quem montou e testou os atuadores, “a tecnologia sendo aplicada a exoesqueletos,” construído com os atuadores trabalhando como músculos naturais, configurado em juntas flexíveis em vez de engrenagens. Ou uma asa de aeronave pode mudar de forma por comando elétrico, com milhares de atuadores passando uns pelos outros para mudar a forma aerodinâmica da asa.

Enquanto sua imaginação está agitada, a equipe enfrenta desafios no desenvolvimento de grandes sistemas de atuadores. Um desafio é como distribuir energia naquele volume. Um esforço paralelo no laboratório que está desenvolvendo microbaterias para integração com os atuadores pode ajudar a resolver esse problema. Outro desafio é como embalar os atuadores de forma que a evaporação seja eliminada.

“A confiabilidade e o empacotamento continuarão sendo as questões predominantes que nos são colocadas sobre a tecnologia até que demonstremos uma solução,” disse Holihan. “É algo que pretendemos atacar de frente nos próximos meses.”

Fonte: http://news.mit.edu, por Kylie Foy