Ongebonden robots hebben een uithoudingsvermogenprobleem. Een mogelijke oplossing:een circulerende vloeistof - 'robotbloed' - om energie op te slaan en zijn toepassingen van stroom te voorzien voor geavanceerde, langdurige taken.

Mensen en andere complexe organismen beheren het leven via geïntegreerde systemen. Mensen slaan energie op in vetreserves verspreid over het lichaam, en een ingewikkelde bloedsomloop transporteert zuurstof en voedingsstoffen om triljoenen cellen van stroom te voorzien.

Maar breek de motorkap van een ongebonden robot open en de dingen zijn veel meer gesegmenteerd:hier is de solide batterij en daar zijn de motoren, met koelsystemen en andere componenten overal verspreid.

Cornell-onderzoekers hebben een synthetisch vasculair systeem gecreëerd dat in staat is om een ​​energierijke hydraulische vloeistof te pompen die energie opslaat, zendt kracht uit, werkt appendages en zorgt voor structuur, alles in een geïntegreerd ontwerp.

"In de natuur zien we hoe lang organismen kunnen opereren terwijl ze geavanceerde taken uitvoeren. Robots kunnen niet lang soortgelijke prestaties leveren, " zei Rob Herder, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek. "Onze bio-geïnspireerde aanpak kan de energiedichtheid van het systeem drastisch verhogen, terwijl zachte robots veel langer mobiel kunnen blijven."

Herder, directeur van het Organic Robotics Lab, is senior auteur van "Electrolytic Vascular Systems for Energy Dense Robots, " die op 19 juni werd gepubliceerd in Natuur . Promovendus Cameron Aubin is hoofdauteur.

Ingenieurs vertrouwen op lithium-ionbatterijen vanwege hun hoge energieopslagpotentieel. Maar vaste batterijen zijn omvangrijk en hebben ontwerpbeperkingen. Alternatief, Redox Flow-batterijen (RFB) vertrouwen op een solide anode en een zeer oplosbare katholiet om te functioneren. De opgeloste componenten slaan energie op totdat deze vrijkomt in een chemische reductie en oxidatie, of redox, reactie.

Zachte robots zijn meestal vloeibaar - tot ongeveer 90% vloeibaar, en gebruik vaak hydraulische vloeistof. Het gebruik van die vloeistof om energie op te slaan biedt de mogelijkheid van verhoogde energiedichtheid zonder extra gewicht.

De onderzoekers testten het concept door een aquatische zachte robot te maken, geïnspireerd op een koraalduivel, ontworpen door co-auteur James Pikul, een voormalig postdoctoraal onderzoeker nu een assistent-professor aan de Universiteit van Pennsylvania. Lionfish gebruiken golvende waaierachtige vinnen om door koraalrifomgevingen te glijden (in één offer aan de waarheid, de onderzoekers kozen ervoor om geen giftige vinnen toe te voegen zoals de levende tegenhangers van de robots).

Siliconenhuid aan de buitenkant en flexibele elektroden en een ionenscheidermembraan aan de binnenkant zorgen ervoor dat de robot kan buigen en buigen. Onderling verbonden zink-jodide-stroomcelbatterijen voeden de pompen en elektronica aan boord door middel van elektrochemische reacties. De onderzoekers bereikten een energiedichtheid gelijk aan ongeveer de helft van die van een Tesla Model S lithium-ionbatterij.

De robot zwemt met behulp van kracht die naar de vinnen wordt overgebracht door het pompen van de stroomcelbatterij. Het oorspronkelijke ontwerp bood voldoende kracht om meer dan 36 uur stroomopwaarts te zwemmen.

De huidige RFB-technologie wordt doorgaans gebruikt in grote, stationaire toepassingen, zoals het opslaan van energie uit wind- en zonnebronnen. Het RFB-ontwerp heeft in het verleden te lijden gehad van een lage vermogensdichtheid en een lage bedrijfsspanning. De onderzoekers overwonnen die problemen door de batterijcellen van de ventilator in serie te bedraden, en gemaximaliseerde vermogensdichtheid door elektroden over de vingebieden te verdelen.

"We willen zoveel mogelijk componenten in een robot nemen en ze omzetten in het energiesysteem. Als je al hydraulische vloeistoffen in je robot hebt, dan kun je grote hoeveelheden energie aanboren en robots meer vrijheid geven om autonoom te opereren, ' zei Herder.

Zachte onderwaterrobots bieden prikkelende mogelijkheden voor onderzoek en verkenning. Omdat waterzachte robots worden ondersteund door drijfvermogen, ze hebben geen exoskelet of endoskelet nodig om de structuur te behouden. Door stroombronnen te ontwerpen die robots de mogelijkheid geven om voor langere tijd te functioneren, Shepherd denkt dat autonome robots binnenkort door de oceanen van de aarde kunnen zwerven voor essentiële wetenschappelijke missies en voor delicate milieutaken zoals het bemonsteren van koraalriffen. Deze apparaten kunnen ook naar buitenaardse werelden worden gestuurd voor verkenningsmissies onder water.