Использование электричества и воды, новый вид двигателя может приводить в движение микророботов

Посмотрите вокруг, и вы наверняка увидите что-то, что работает от электродвигателя.. Микрогидравлические приводы, тоньше одной трети ширины человеческого волоса, доказывают, что являются самыми мощными и эффективными двигателями в микромасштабе. Мощный и эффективный, они заставляют большую часть нашего мира двигаться, все, от наших компьютеров до холодильников до автоматических стеклоподъемников в наших автомобилях. Но эти качества меняются в худшую сторону, когда такие моторы уменьшаются до размеров меньше кубического сантиметра..

Капли воды попадают в микрогидравлический привод., который вращается при подаче напряжения на электроды, которые тянут капли в одном направлении. Внутренний диаметр этого дискообразного привода составляет 5 миллиметры.

Фото: Глен Купер

“В очень маленьких масштабах, вы получаете обогреватель вместо мотора,” сказал Якуб Кедзерский, сотрудники лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института Химическая, Микросистема, и Nanoscale Technologies Group. сегодня, не существует двигателя, который был бы одновременно высокоэффективным и мощным при малых размерах. И это проблема, потому что двигатели такого масштаба необходимы для приведения в движение миниатюрных систем - микрогимбалов, которые могут наводить лазеры на доли градуса на расстояние в тысячи миль., крошечные дроны, которые могут втиснуться в обломки, чтобы найти выживших, или даже ботов, которые могут ползать по пищеварительному тракту человека.

Чтобы помочь подобным энергосистемам, Кедзерский и его команда создают двигатель нового типа, называемый микрогидравлическим приводом.. Приводы перемещаются с высокой точностью., эффективность, и мощность, которая еще не была возможна в микромасштабе. Документ с описанием этой работы был опубликовано в сентябре 2018 вопрос из Научная робототехника.

В микрогидравлических приводах используется технология, называемая электросмачиванием, для достижения движения.. Электросмачивание прикладывает электрическое напряжение к каплям воды на твердой поверхности для искажения поверхностного натяжения жидкости.. Приводы используют это искажение, чтобы заставить капли воды внутри привода двигаться., и с ними, весь привод.

“Подумайте о капле воды на окне; сила тяжести искажает это, и он движется вниз,” сказал Кедзерский. “Вот, мы используем напряжение, чтобы вызвать искажение, что, в свою очередь, вызывает движение.”

Привод состоит из двух слоев.. Нижний слой представляет собой лист металла с вбитыми в него электродами.. Этот слой покрыт диэлектриком., изолятор, который становится поляризованным при приложении электрического поля. Верхний слой - лист полиимида., прочный пластик, в котором просверлены мелкие каналы. Каналы направляют путь десятков капель воды, которые наносятся между двумя слоями и выравниваются с электродами.. Чтобы задержать испарение, вода предварительно смешана с раствором хлорида лития, который снижает давление водяного пара, достаточное для того, чтобы капли размером с микрометр могли прослужить несколько месяцев.. Капли сохраняют округлую форму. (вместо того, чтобы быть зажатым между слоями) из-за их поверхностного натяжения и относительно небольшого размера.

Привод оживает, когда напряжение подается на электроды, хотя и не все из них сразу. Это делается в цикле включения двух электродов на капельку в то время,. При отсутствии напряжения, одна капля воды покоится на двух нейтральных электродов, 1 а также 2. Но подавать напряжение на электроды 2 а также 3, и вдруг капелька деформируется, растяжения коснуться напряжением электрода 3 и стаскивать электрода 1.

Эта горизонтальная сила в одной капельке не достаточно, чтобы переместить привод. Но с этим циклом напряжения, применяемым синхронно к электродам под каждой каплей в массиве, весь слой полиимида скользит, чтобы уменьшить притяжение капель к электродам под напряжением. Продолжайте переключать напряжение через, и капли продолжают ходить по электродам, а слой продолжает скользить по; выключить напряжение, и привод останавливается на своем пути. Напряжение, тогда, становится мощным инструментом для точного управления движением привода.

Но как актуатор противостоит другим типам двигателей?? Два показателя для измерения производительности - это удельная мощность., или количество мощности, производимой двигателем, по отношению к его весу., и эффективность, или мера потраченной впустую энергии. Один из лучших электродвигателей по КПД и удельной мощности - мотор седана Tesla Model S.. Когда команда тестировала микрогидравлические приводы, они обнаружили, что они немного отстают от удельной мощности Model S. (в 0.93 киловатт на килограмм) и КПД (в 60 процент эффективности при максимальной плотности мощности). Они значительно превзошли пьезоэлектрические приводы и другие типы микроактюаторов..

“Мы очень рады, потому что достигаем этого показателя, и мы все еще улучшаемся, поскольку мы масштабируемся до меньших размеров,” Кедзерский сказал. Приводы улучшаются при меньших размерах, потому что поверхностное натяжение остается неизменным независимо от размера капель воды, а более мелкие капли освобождают место для еще большего количества капель, которые вжимаются внутрь и оказывают свое горизонтальное усилие на привод.. “Плотность мощности просто взлетает. Это похоже на веревку, прочность которой не ослабевает по мере того, как она становится тоньше.,” добавил он.

Последний актуатор, одна кромка рядом с Model S, было разделение 48 микрометры между каплями. Теперь команда сокращает это до 30 микрометры. Они проектируют, что, в таком масштабе, привод будет соответствовать Tesla Model S по удельной мощности, а также, в 15 микрометры, затмить это.

Уменьшение размеров приводов - это лишь одна часть уравнения.. Другой аспект, над которым команда активно работает, - это 3-D интеграция.. Сейчас, одинарный актуатор - это двухслойная система, тоньше полиэтиленового пакета и гибок, как один. Они хотят разместить приводы в виде лесов, которые могут перемещаться в трех измерениях..

Кедзерски представляет себе такую ​​систему, имитирующую наши тела.’ мышечная матрица, сеть тканей, которые позволяют нашим мышцам достигать мгновенного, мощный, и гибкое движение. В десять раз мощнее мышц, приводы были во многом вдохновлены мышцами, от их гибкости и легкости до состава жидких и твердых компонентов.

И так же, как мускулы - отличный привод в масштабе муравья или слона., эти микрогидравлические приводы, тоже, может оказать сильное влияние не только на микромасштаб, но в макросе.

“Можно представить,” сказал Эрик Холихан, кто собирал и тестировал актуаторы, “технология, применяемая к экзоскелетам,” построен с приводами, работающими как реалистичные мышцы, сконфигурирован в гибкие шарниры вместо шестерен. Или крыло самолета могло менять форму по электрической команде., с тысячами исполнительных механизмов, скользящих друг мимо друга, чтобы изменить аэродинамическую форму крыла.

Пока их воображение бурлит, перед командой стоят задачи по разработке больших систем исполнительных механизмов. Одна из проблем - как распределить мощность на этом уровне. Параллельные усилия лаборатории, разрабатывающей микробатареи для интеграции с исполнительными механизмами, могут помочь решить эту проблему.. Еще одна проблема - как упаковать приводы, чтобы исключить испарение..

“Надежность и упаковка будут оставаться главными вопросами, которые нам задают в отношении технологии, пока мы не продемонстрируем решение.,” сказал Холихан. “Это то, что мы надеемся атаковать в ближайшие месяцы.”

Источник: HTTP://news.mit.edu, Кайли Фой