Înregistrează-te acum

Autentificare

Parola pierdută

ti-ai pierdut parola? Vă rugăm să introduceți adresa dvs. de e-mail. Veți primi un link și veți crea o nouă parolă prin e-mail.

Adaugă postare

Trebuie să vă autentificați pentru a adăuga postare .

Autentificare

Înregistrează-te acum

Bun venit pe Scholarsark.com! Înregistrarea dvs. vă va oferi acces la utilizarea mai multor funcții ale acestei platforme. Puteți pune întrebări, aduceți contribuții sau oferiți răspunsuri, vizualizați profilurile altor utilizatori și multe altele. Înregistrează-te acum!

Folosind energie electrică și apă, un nou tip de motor poate aluneca microroboții în mișcare

Privește în jur și probabil vei vedea ceva care funcționează cu un motor electric. Actuatoare microhidraulice, mai subțire de o treime din lățimea părului uman, se dovedesc a fi cele mai puternice și eficiente motoare la microscală. Puternic și eficient, ei mențin o mare parte din lumea noastră în mișcare, totul, de la computere la frigidere la geamurile automate ale mașinilor noastre. Dar aceste calități se schimbă în rău atunci când astfel de motoare sunt reduse la dimensiuni mai mici decât un centimetru cub..

Picăturile de apă sunt introduse în actuatorul microhidraulic, care se rotește atunci când se aplică tensiune electrozilor care trag picăturile într-o direcție. Diametrul interior al acestui actuator în formă de disc este 5 milimetri.
Fotografie: Glen Cooper

“La scară foarte mică, primești un încălzitor în loc de motor,” a spus Jakub Kedzierski, personalul de la MIT Lincoln Laboratory Chimic, Microsystem, și Nanoscale Technologies Group. Astăzi, nu există niciun motor care să fie atât foarte eficient, cât și puternic la microdimensiuni. Și asta este o problemă, deoarece sunt necesare motoare la acea scară pentru a pune în mișcare sisteme miniaturizate - microgimbaluri care pot îndrepta laserele la o fracțiune de grad pe mii de mile, drone minuscule care se pot strânge în epave pentru a găsi supraviețuitori, sau chiar roboți care se pot târâ prin tractul digestiv uman.

Pentru a ajuta sistemele de alimentare ca acestea, Kedzierski și echipa sa fac un nou tip de motor numit actuator microhidraulic. Actuatoarele se deplasează cu un nivel de precizie, eficienţă, și putere care nu a fost încă posibilă la microscală. O lucrare care descrie această lucrare a fost publicat în septembrie 2018 problema de Robotică științifică.

Actuatoarele microhidraulice folosesc o tehnică numită electroumezire pentru a obține mișcare. Umidificarea electrică aplică o tensiune electrică picăturilor de apă de pe o suprafață solidă pentru a distorsiona tensiunea superficială a lichidului. Actuatoarele profită de această distorsiune pentru a forța picăturile de apă din interiorul actuatorului să se miște, si cu ei, întregul actuator.

“Gândiți-vă la o picătură de apă pe o fereastră; forța gravitației o distorsionează, si se misca in jos,” spuse Kedzierski. “Aici, folosim tensiune pentru a provoca distorsiunea, care la rândul său produce mișcare.”

Servomotorul este construit în două straturi. Stratul inferior este o foaie de metal cu electrozi imprimați în ea. Acest strat este acoperit cu un dielectric, un izolator care devine polarizat atunci când este aplicat un câmp electric. Stratul superior este o foaie de poliimidă, un plastic rezistent, care are canale de mică adâncime forate în el. Canalele ghidează traseul a zeci de picături de apă care sunt aplicate între cele două straturi și sunt aliniate cu electrozii. Pentru a opri evaporarea, apa este preamestecată cu o soluție de clorură de litiu, care scade presiunea vaporilor apei suficient pentru ca picăturile de dimensiuni micrometrice să reziste luni de zile. Picăturile își păstrează forma rotunjită (în loc să fie strivit între straturi) datorită tensiunii lor superficiale și dimensiunilor relativ mici.

Dispozitivul de acţionare prinde viaţă atunci când electrozilor li se aplică tensiune, deși nu tuturor deodată. Se face într-un ciclu de pornire a doi electrozi per picătură la un moment dat. Fără tensiune, o singură picătură de apă se sprijină neutru pe doi electrozi, 1 și 2. Dar aplicați o tensiune electrozilor 2 și 3, și brusc picătura se deformează, întinzându-se pentru a atinge electrodul alimentat 3 și scoaterea electrodului 1.

Această forță orizontală într-o picătură nu este suficientă pentru a deplasa actuatorul. Dar acest ciclu de tensiune fiind aplicat la unison electrozilor de sub fiecare picătură a matricei, întregul strat de poliimidă alunecă pentru a calma atracția picăturilor față de electrozii energizați. Continuați să ciclați tensiunea, iar picăturile continuă să meargă peste electrozi, iar stratul continuă să alunece peste; opriți tensiunea, iar actuatorul se oprește pe drum. Tensiunea, atunci, devine un instrument puternic pentru a controla cu precizie mișcarea actuatorului.

Dar cum rezistă actuatorul împotriva altor tipuri de motoare? Cele două metrici pentru măsurarea performanței sunt densitatea de putere, sau cantitatea de putere pe care o produce motorul în raport cu greutatea sa, si eficienta, sau măsura energiei risipite. Unul dintre cele mai bune motoare electrice în ceea ce privește eficiența și densitatea puterii este motorul sedanului Tesla Model S.. Când echipa a testat actuatoarele microhidraulice, au descoperit că sunt chiar în spatele densității de putere a modelului S (la 0.93 kilowatt pe kilogram) și eficiența producției (la 60 eficient la sută la densitatea maximă de putere). Au depășit cu mult actuatoarele piezoelectrice și alte tipuri de microactuatoare.

“Suntem încântați pentru că îndeplinim acest punct de referință, și încă ne îmbunătățim, pe măsură ce creștem la dimensiuni mai mici,” spuse Kedzierski. Dispozitivele de acționare se îmbunătățesc la dimensiuni mai mici, deoarece tensiunea superficială rămâne aceeași indiferent de dimensiunea picăturilor de apă - iar picăturile mai mici fac loc pentru ca și mai multe picături să se strecoare și să își exercite forța orizontală asupra actuatorului.. “Densitatea puterii crește. Este ca și cum ai avea o frânghie a cărei forță nu slăbește pe măsură ce devine mai subțire,” el a adăugat.

Cel mai recent actuator, cea care se apropie de Model S, a avut o separare de 48 micrometri între picături. Echipa se micșorează acum la asta 30 micrometre. Ei proiectează asta, la scara aceea, actuatorul se va potrivi cu Tesla Model S ca densitate de putere, și, la 15 micrometre, eclipsează-l.

Reducerea actuatoarelor este doar o parte a ecuației. Celălalt aspect la care echipa lucrează activ este integrarea 3-D. Chiar acum, un singur actuator este un sistem cu două straturi, mai subțire decât o pungă de plastic și flexibilă ca una. Ei doresc să stivuească actuatoarele într-un sistem asemănător schelei care se poate mișca în trei dimensiuni.

Kedzierski imaginează un astfel de sistem care mimează corpurile noastre’ matricea musculară, rețeaua de țesuturi care permit mușchilor noștri să realizeze instantaneu, puternic, și mișcare flexibilă. De zece ori mai puternic decât mușchii, actuatoarele au fost inspirate de mușchi în multe feluri, de la flexibilitatea și ușurința lor până la compoziția lor de componente fluide și solide.

Și la fel cum mușchiul este un actuator excelent la scara unei furnici sau a unui elefant, aceste actuatoare microhidraulice, de asemenea, ar putea avea un impact puternic nu doar la microscală, dar la macro.

“S-ar putea imagina,” spuse Eric Holihan, care a asamblat și testat actuatoarele, “tehnologia fiind aplicată exoscheletelor,” construit cu actuatoarele lucrând ca un mușchi realist, configurate în articulații flexibile în loc de roți dințate. Sau aripa unui avion s-ar putea schimba la comandă electrică, cu mii de actuatoare alunecând unul pe lângă celălalt pentru a schimba forma aerodinamică a aripii.

În timp ce imaginația lor se agita, echipa se confruntă cu provocări în dezvoltarea unor sisteme mari de actuatoare. O provocare este cum să distribuiți puterea la acel volum. Un efort paralel la laboratorul care dezvoltă microbaterii pentru a se integra cu actuatoarele ar putea ajuta la rezolvarea acestei probleme. O altă provocare este modul de ambalare a actuatoarelor astfel încât evaporarea să fie eliminată.

“Fiabilitatea și ambalajul vor continua să fie întrebările predominante care ni se pun cu privire la tehnologie până când vom demonstra o soluție,” spuse Holihan. “Acesta este un lucru pe care căutăm să-l atacăm direct în lunile următoare.”


Sursă: http://stiri.mit.edu, de Kylie Foy

Despre Marie

Lasa un raspuns

Genial de sigur și Centrat pe elev Platformă de învățare 2021