Net toen het leek alsof robots niet cooler konden worden, Cornell-onderzoekers hebben een zachte robotspier gemaakt die zijn temperatuur kan regelen door te zweten.

Deze vorm van thermisch beheer is een basisbouwsteen om ongebonden, krachtige robots om lange tijd te werken zonder oververhitting, volgens de Rob Herder, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek, die het project leidde.

De krant van het team, "Autonome transpiratie in 3D-geprinte hydrogel-actuators, " gepubliceerd op 29 januari in Wetenschap Robotica .

Een van de hindernissen voor het maken van duurzame, aanpasbare en behendige robots beheert de interne temperatuur van de robots, volgens Herder, senior auteur van de krant. Als de motoren met hoge koppeldichtheid en exotherme motoren die een robot aandrijven oververhit raken, de robot stopt met werken.

Dit is met name een probleem voor zachte robots, die zijn gemaakt van synthetische materialen. Hoewel flexibeler, ze houden hun warmte vast, in tegenstelling tot metalen, die de warmte snel afvoeren. Een interne koeltechnologie, zoals een ventilator, kan niet veel helpen, omdat het ruimte in de robot zou innemen en gewicht zou toevoegen.

Daarom liet het team van Shepherd zich inspireren door het natuurlijke koelsysteem van zoogdieren:zweten.

"Het vermogen om te transpireren is een van de meest opmerkelijke kenmerken van de mens, " zei co-hoofdauteur T.J. Wallin, MEVROUW. '16, doctoraat '18, een onderzoekswetenschapper bij Facebook Reality Labs. "Zweten maakt gebruik van verdampt waterverlies om warmte snel af te voeren en kan afkoelen tot onder de omgevingstemperatuur. ... Dus zoals vaak het geval is, biologie was een uitstekende gids voor ons als ingenieurs."

Shepherd's team werkte samen met het lab van Emmanuel Giannelis, de Walter R. Read hoogleraar Engineering, om de noodzakelijke nanopolymeermaterialen voor zweten te creëren via een 3D-printtechniek genaamd multi-materiaal stereolithografie, die licht gebruikt om hars in vooraf ontworpen vormen uit te harden.

"Onze bijdrage is het maken van mengsels van nanodeeltjes en polymere materialen waarmee we in principe de viscositeit kunnen regelen, of stroom, van deze vloeistoffen, " zei Giannelis, ook Cornell's vice-provoost voor onderzoek en vice-president voor technologieoverdracht, intellectueel eigendom en onderzoeksbeleid.

De onderzoekers vervaardigden vingerachtige actuatoren die zijn samengesteld uit twee hydrogelmaterialen die water kunnen vasthouden en op temperatuur kunnen reageren - in feite, "slimme" sponzen. De basislaag, gemaakt van poly-N-isopropylacrylamide, reageert op temperaturen boven 30 C (86 F) door te krimpen, die water omhoog drukt in een toplaag van polyacrylamide die is geperforeerd met poriën van microngrootte. Deze poriën zijn gevoelig voor hetzelfde temperatuurbereik en verwijden zich automatisch om het "zweet, " sluit dan wanneer de temperatuur onder de 30 C daalt.

De verdamping van dit water verlaagt de oppervlaktetemperatuur van de aandrijving binnen 30 seconden met 21 C, een koelproces dat ongeveer drie keer efficiënter is dan bij mensen, vonden de onderzoekers. De actuatoren kunnen ongeveer zes keer sneller afkoelen als ze worden blootgesteld aan wind van een ventilator.

"Het beste deel van deze synthetische strategie is dat de thermische regulerende prestaties gebaseerd zijn op het materiaal zelf, " zei Wallin. "We hadden geen sensoren of andere componenten nodig om de zweetsnelheid te regelen. Toen de lokale temperatuur boven de overgang kwam, de poriën zouden gewoon vanzelf openen en sluiten."

Het team verwerkte de actuatorvingers in een robothand die objecten kon grijpen en optillen, en ze realiseerden zich dat autonoom zweten niet alleen de hand verkoelde, maar verlaagde ook de temperatuur van het object. Terwijl de smering een robothand glad kan maken, Shepherd zegt dat aanpassingen aan de hydrogeltextuur dit kunnen compenseren door de grip van de hand te verbeteren, net als rimpels in de huid.

Een nadeel van de technologie is dat deze de mobiliteit van een robot kan belemmeren. Er is ook behoefte aan de robots om hun watervoorraad aan te vullen, waardoor Shepherd zich zachte robots voorstelde die op een dag niet alleen zullen transpireren als zoogdieren, maar drink zoals zij, te.

Het vermogen van een robot om vloeistoffen uit te scheiden, kan ook leiden tot methoden voor het opnemen van voedingsstoffen, katalyserende reacties, het verwijderen van verontreinigingen en het coaten van het oppervlak van de robot met een beschermende laag, schreven de onderzoekers.

"Ik denk dat de toekomst van het maken van deze meer biologisch analoge materialen en robots zal afhangen van de samenstelling van het materiaal, Sheper zei. "Dit brengt een punt [over het belang van] multidisciplinair onderzoek op dit gebied naar voren, waar echt geen enkele groep alle antwoorden heeft."

Andere bijdragers waren onder meer postdoctoraal medewerker en co-hoofdauteur Anand Mishra; postdoctoraal medewerker Wenyang Pan; promovendus Patricia Xu; en Barbara Mazzolai van het Centrum voor Micro-BioRobotica van het Italiaanse Instituut voor Technologie.