Sinds hun uitvinding aan het eind van de 18e eeuw, toen de in Frankrijk geboren Britse natuurkundige Denis Papin, de uitvinder van de snelkookpan, stelde het zuigerprincipe voor, zuigers zijn gebruikt om de kracht van vloeistoffen te benutten om werk uit te voeren in tal van machines en apparaten.

Conventionele zuigers zijn gemaakt van een stijve kamer en een zuiger binnenin, die langs de binnenwand van de kamer kan schuiven en tegelijkertijd een goede afdichting behoudt. Als resultaat, de zuiger verdeelt twee ruimtes, die zijn gevuld met twee vloeistoffen en zijn verbonden met twee externe vloeistofbronnen. Als de vloeistoffen verschillende drukken hebben, de zuiger schuift in de richting met de lagere druk en kan tegelijkertijd de beweging van een as of ander apparaat aandrijven om fysiek werk te doen. Dit principe is gebruikt om veel machines te ontwerpen, waaronder diverse zuigermotoren, hydraulische lifters en kranen zoals die worden gebruikt op bouwplaatsen, en elektrisch gereedschap.

Echter, conventionele zuigers hebben verschillende tekortkomingen:de hoge wrijving tussen de bewegende zuiger en de kamerwand kan leiden tot het kapot gaan van de afdichting, lekkage, en geleidelijke of plotselinge storingen. In aanvulling, vooral in het lagere drukspectrum, energie-efficiëntie en reactiesnelheid zijn vaak beperkt.

Nutsvoorzieningen, een team van robotici van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) heeft een nieuwe manier ontwikkeld om zuigers te ontwerpen die hun conventionele stijve elementen vervangt door een mechanisme dat gebruikmaakt van samendrukbare structuren in een membraan gemaakt van zachte materialen.

De resulterende 'spanzuigers' genereren meer dan drie keer de kracht van vergelijkbare conventionele zuigers, een groot deel van de wrijving wegnemen, en bij lage druk zijn ze tot 40 procent energiezuiniger. De studie is gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .

"Deze "spanzuigers" vervaardigd met structuren met zachte, flexibele materialen zijn een fundamenteel nieuwe benadering van piston-architectuur, die een uitgebreide ontwerpruimte openen. Ze kunnen in machines worden gedropt, vervanging van conventionele zuigers, zorgen voor een betere energie-efficiëntie, " zei Wyss Institute Founding Core Faculty-lid en co-corresponderende auteur Wood, doctoraat, die ook de Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences is bij SEAS en mede-leider is van het Bioinspired Soft Robotics Initiative van het Wyss Institute. "Belangrijk, dit concept maakt ook een reeks nieuwe geometrieën en functionele variaties mogelijk die ingenieurs in staat kunnen stellen om nieuwe machines en apparaten uit te vinden en bestaande te miniaturiseren."

Wood leidde de studie samen met Daniela Rus, doctoraat, Professor en directeur van MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) en Shuguang Li, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker begeleid door Wood en Rus.

Het concept van de spanningszuiger bouwt voort op de 'fluid-driven origami-geïnspireerde kunstmatige spieren' (FOAM's) van het team die zachte materialen gebruiken om zachte robots meer kracht en bewegingscontrole te geven met behoud van hun flexibele architecturen. FOAM's zijn gemaakt van een gevouwen structuur die is ingebed in een vloeistof in een flexibele en hermetisch afgesloten huid. Het veranderen van de vloeistofdruk zorgt ervoor dat de origami-achtige structuur zich ontvouwt of instort langs een vooraf geconfigureerd geometrisch pad, die een vormverandering in het gehele FOAM induceert, waardoor het voorwerpen kan grijpen of loslaten of andere soorten werk kan uitvoeren.

"In principe, we hebben het gebruik van FOAM's als zuigers in een stijve kamer onderzocht, " zei Li. "Door een flexibel membraan te gebruiken dat aan een samendrukbare skeletstructuur aan de binnenkant is bevestigd, en aansluiten op een van de twee vloeistofpoorten, we kunnen een apart vloeistofcompartiment creëren dat de functionaliteit van een zuiger vertoont."

De onderzoekers toonden aan dat een stijging van de aandrijfdruk in het tweede vloeistofreservoir dat het membraan in de kamer omringt, de spanningskrachten in het membraanmateriaal verhoogt die direct worden doorgegeven aan de gebonden skeletstructuur. Door het skelet fysiek te verbinden met een bedieningselement dat uit de kamer reikt, compressie van het skelet is gekoppeld aan een mechanische beweging buiten de zuiger.

"Betere pistons kunnen de manier waarop we veel soorten systemen ontwerpen en gebruiken fundamenteel veranderen, van schokdempers en automotoren tot bulldozers en mijnbouwapparatuur, " zegt Rus, de Andrew (1956) en Erna Viterbi hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT. "We denken dat een dergelijke aanpak ingenieurs zou kunnen helpen om verschillende manieren te bedenken om hun creaties sterker en energiezuiniger te maken."

Het team testte hun zuiger tegen een conventionele zuiger in een taak om objecten te verpletteren, en toonde aan dat het voorwerpen zoals houten potloden brak bij veel lagere invoerdrukken (drukken gegenereerd in het huidomringende vloeistofcompartiment). Bij dezelfde ingangsdruk, vooral in het lagere drukbereik, de spanzuigers ontwikkelden meer dan drie keer grotere uitgangskrachten en vertonen een meer dan 40 procent hogere energie-efficiëntie door gebruik te maken van de vloeistof-geïnduceerde spanning in hun flexibele huidmaterialen.

"Door de samendrukbare skeletten te configureren met zeer verschillende geometrieën, zoals een reeks discrete schijven, als scharnierende skeletten, of als lenteskeletten, de output krachten en bewegingen worden zeer afstembaar, " zei Li. "We kunnen zelfs meer dan één spanzuiger in een enkele kamer opnemen, of ga een stap verder en fabriceer ook de omringende kamer met een flexibel materiaal zoals een luchtdicht nylonweefsel."