Gooi een honkbal, en je zou kunnen zeggen dat het allemaal in de pols zit.

Voor robots, het zit allemaal in de versnellingen.

Tandwielen zijn essentieel voor precisierobotica. Ze laten ledematen soepel draaien en stoppen op commando; tandwielen van lage kwaliteit veroorzaken dat ledematen schokken of trillen. Als je een robot ontwerpt om monsters te scheppen of een richel vast te pakken, het soort tandwielen dat je nodig hebt, komt niet uit een ijzerhandel.

In het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Pasadena, Californië, technoloog Douglas Hofmann en zijn medewerkers bouwen aan een betere uitrusting. Hofmann is de hoofdauteur van twee recente artikelen over tandwielen gemaakt van bulk metallic glas (BMG), een speciaal vervaardigde legering met eigenschappen die het ideaal maken voor robotica.

"Hoewel BMG's al lang worden onderzocht, begrijpen hoe ze te ontwerpen en te implementeren in structurele hardware is ongrijpbaar gebleken, " zei Hofmann. "Ons team van onderzoekers en ingenieurs bij JPL, in samenwerking met groepen van Caltech en UC San Diego, hebben BMG's eindelijk aan de nodige tests onderworpen om hun potentiële voordelen voor NASA-ruimtevaartuigen aan te tonen. Deze materialen kunnen ons mogelijk oplossingen bieden voor mobiliteit in ruwe omgevingen, zoals op Jupiters maan Europa."

Recept voor de perfecte uitrusting

Hoe kan dit mysterieuze materiaal zowel een metaal als een glas zijn? Het geheim zit in zijn atomaire structuur. Metalen hebben een georganiseerde, kristallijne opstelling. Maar als je ze opwarmt tot een vloeistof, ze smelten en de atomen worden willekeurig verdeeld. Koel ze snel genoeg af — ongeveer 1, 832 graden Fahrenheit (1, 000 graden Celsius) per seconde - en je kunt hun niet-kristallijne, "vloeibare" vorm op zijn plaats.

Dit produceert een willekeurige rangschikking van atomen met een amorfe, of niet-kristallijne microstructuur. Die structuur geeft deze materialen hun gebruikelijke namen:"amorfe metalen, " of metaalglas.

Doordat het zo snel wordt afgekoeld, het materiaal is technisch een glas. Het kan gemakkelijk vloeien en bij verhitting worden geblazen, net als ruiten. Wanneer dit glasachtige materiaal wordt geproduceerd in delen groter dan ongeveer vier tienden van een inch (1 millimeter), het wordt "bulk" metaalglas genoemd, of BMG.

Metalen glazen werden oorspronkelijk ontwikkeld bij Caltech in Pasadena, Californië, in 1960. Sindsdien ze zijn gebruikt om alles te vervaardigen, van mobiele telefoons tot golfclubs.

Wat maakt deze tandwielen perfect voor de ruimte?

Onder hun aantrekkelijke eigenschappen, BMG's hebben lage smelttemperaturen. Dat maakt het mogelijk om onderdelen te gieten met behulp van spuitgiettechnologie, vergelijkbaar met wat wordt gebruikt in de kunststofindustrie, maar met veel hogere sterkte en slijtvastheid. BMG's worden ook niet broos bij extreme kou, een factor die kan leiden tot het breken van de tanden van een tandwiel. Deze laatste kwaliteit maakt het materiaal bijzonder nuttig voor de soorten robotica die bij JPL worden uitgevoerd.

Hofmann zei dat tandwielen gemaakt van BMG's "koud en droog kunnen lopen":de eerste tests hebben een sterk koppel en soepel draaien zonder smeermiddel aangetoond, zelfs bij -328 graden Fahrenheit (-200 graden Celsius). Voor robots die naar bevroren landschappen worden gestuurd, dat kan een energiebesparend voordeel zijn. NASA's Mars Curiosity-rover, bijvoorbeeld, kost energie om vet smeermiddel op te warmen elke keer dat het moet bewegen.

"In staat zijn om tandwielen te bedienen bij de lage temperatuur van ijzige manen, zoals Europa, is een potentiële gamechanger voor wetenschappers, " zei R. Peter Dillon, een technoloog en programmamanager in de Materials Development and Manufacturing Technology Group van JPL. "Het vermogen hoeft niet langer te worden weggeheveld van de wetenschappelijke instrumenten voor het verwarmen van versnellingsbaksmeermiddel, waardoor kostbare batterijstroom wordt bespaard."

Versnellingen die soepel draaien en tegelijkertijd kosten besparen

In het tweede artikel onder leiding van Hofmann werd gekeken hoe BMG's de productiekosten van rekgolftandwielen konden verlagen. Dit type versnelling, die een metalen ring bevat die buigt als het tandwiel draait, is lastig om in massa te produceren en alomtegenwoordig in dure robots.

Niet alleen kunnen BMG's deze versnellingen laten presteren bij lage temperaturen, maar ze kunnen ook worden vervaardigd tegen een fractie van de kosten van hun stalen versies zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. Dit is potentieel baanbrekend voor het verlagen van de kosten van robots die rekgolftandwielen gebruiken, omdat ze vaak hun duurste onderdeel zijn.

"Massaproductie van rekgolftandwielen met behulp van BMG's kan een grote impact hebben op de markt voor consumentenrobotica, " zei Hofmann. "Dit geldt vooral voor humanoïde robots, waar tandwielen in de gewrichten erg duur kunnen zijn, maar nodig zijn om trillende armen te voorkomen. De prestaties bij lage temperaturen voor JPL-ruimtevaartuigen en rovers lijken een gelukkig bijkomend voordeel te zijn."

Het artikel gepubliceerd door Geavanceerde technische materialen gekeken naar het ontwerpen en testen van BMG-versnellingen voor planetaire versnellingsbakken. Het omvatte medewerkers bij Caltech en UC San Diego. De krant gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten onderzoekt hoe BMG's kunnen worden gebruikt om de kosten van spanningsgolftandwielen te verlagen. Het omvatte ook Caltech-medewerkers.

Het Bulk Metallic Glass Gears-project wordt gefinancierd door het Game Changing Development Program van NASA's Space Technology Mission Directorate, die ideeën en benaderingen onderzoekt die belangrijke technologische problemen kunnen oplossen en toekomstige ruimtevaartinspanningen kunnen revolutioneren.