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研究人员创建了3D打印的出汗的机器人肌肉

2021年08月19日 威海机械设备网

研究人员创建了3D打印的出汗的机器人肌肉

就在机器人似乎无法冷却的时候,康奈尔大学的研究人员创造了一种柔软的机器人肌肉,可以通过出汗来调节温度。

研究人员创建了3D打印的出汗的机器人肌肉 中国机械网,okmao.com

机械和航空航天工程副教授罗布·谢泼德(Rob Shepherd)表示,这种形式的热管理是使不受束缚的高功率机器人能够长时间运行而不会过热的基本构建模块。

该小组的论文“ 3-D打印水凝胶致动器的自主排汗”于1月29日在《科学机器人》上发表中国机械网okmao.com。

该论文的资深作者谢泼德说,制造持久,适应性强和敏捷的机器人的障碍之一是管理机器人的内部温度。如果为机器人提供动力的高扭矩密度电机和放热引擎过热,则机器人将停止运行。

对于由合成材料制成的软机器人来说,这是一个特别的问题。与金属不同,它们更灵活,但可以保持热量,而金属则可以快速散热。内部冷却技术(例如风扇)可能没有太大帮助,因为它会占用机器人内部的空间并增加重量。

因此,Shepherd的团队从哺乳动物存在的自然冷却系统中汲取了灵感:出汗。

研究人员创建了3D打印的出汗的机器人肌肉 中国机械网,okmao.com

出汗的机器人手抓握并降低不同热物体温度的视频。图片来源:Mishra等,《科学机器人》。5,eaaz3918(2020)

共同主要作者TJ Wallin,MS '16,Ph.D.说:“出汗的能力是人类最显着的特征之一。'18,Facebook Reality Labs的研究科学家。“出汗利用蒸发掉的水分迅速散发热量,并且可以冷却到周围环境温度以下。……在通常情况下,生物学为我们作为工程师提供了极好的指导。”

Shepherd的团队与Walter R. Read工程学教授Emmanuel Giannelis的实验室合作,通过称为多材料立体平版印刷的3-D打印技术创建出汗所需的纳米聚合物材料,该技术使用光将树脂固化成预先设计的形状。

康奈尔大学副校长兼技术转让,知识产权和研究副总裁吉安尼斯说:“我们的贡献是制造了纳米粒子和高分子材料的混合物,这些混合物基本上使我们能够控制这些流体的粘度或流量。”政策。

研究人员制造了由两种水凝胶材料组成的指状致动器,它们可以保留水并响应温度,实际上是“智能”海绵。由聚N-异丙基丙烯酰胺制成的基础层通过收缩反应到30摄氏度(86华氏度)以上的温度,这会将水挤压成聚丙烯酰胺顶层,并在其上开有微米级的孔。这些孔对相同温度范围敏感,并会自动膨胀以释放“汗液”,然后在温度降至30 C以下时关闭。

软执行器出汗的视频。图片来源:Mishra等,《科学机器人》。5,eaaz3918(2020)

研究人员发现,这种水的蒸发可在30秒内将执行器的表面温度降低21°C,这种冷却过程的效率约为人类的三倍。当暴露在风扇的风中时,致动器的冷却速度大约快六倍。

Wallin说:“这种合成策略的最好部分是热调节性能取决于材料本身。” “我们不需要传感器或其他组件来控制出汗率。当当地温度升至转变温度以上时,毛孔会自行打开和关闭。”

3D打印技术多材料立体光刻的视频。图片来源:Mishra等,《科学机器人》。5,eaaz3918(2020)

该团队将执行器的手指插入可以抓握和提起物体的机器人手中,他们意识到自动出汗不仅可以冷却手,还可以降低物体的温度。谢泼德说,尽管润滑会使机器人的手滑,但对水凝胶质地的改变可以通过改善手的抓地力来弥补,就像皮肤上的皱纹一样。

该技术的一个缺点是它会阻碍机器人的移动性。还需要机器人补充水的供应,这使Shepherd设想了软机器人,有朝一日不仅像哺乳动物一样出汗,而且也像哺乳动物一样喝水。

水凝胶致动器的弯曲角度由气压驱动。图片来源:Mishra等,《科学机器人》。5,eaaz3918(2020)

研究人员写道,机器人分泌液体的能力还可能导致吸收养分,催化反应,去除污染物并在机器人表面覆盖一层保护层的方法。

谢泼德说:“我认为制造这些具有更多生物相似性的材料和机器人的未来将取决于材料的组成。” “这提出了关于这一领域的多学科研究的重要性的观点,在这一领域中,实际上没有人能提供所有答案。”

其他贡献者包括博士后助理和共同首席作者阿南德·米什拉(Anand Mishra);博士后研究员潘文阳;博士生Patricia Xu; 意大利技术研究所的微生物机器人中心的Barbara Mazzolai。