Como o vapor de água está alimentando a próxima geração de robôs macios

A atuação da mudança de fase foi revivida para a era de robôs macios sem energia e eletricamente acionados. Nossa equipe da Universidade de Coimbra desenvolveu um atuador suave de transição de fase, projetado para alimentar robôs macios elétricos que requerem alta força e precisão. Nossa inovação aproveita a transição da fase líquida-gás da água para gerar movimento mecânico de uma maneira simples, escalável e notavelmente poderosa.

Ao contrário dos atuadores moles tradicionais, que geralmente dependem de pneumáticos volumosos, materiais exóticos ou altas tensões, nosso design explora um processo bem conhecido: ebulição. Usando um pequeno aquecedor incorporado, nosso atuador transforma a água em vapor, gerando pressão interna que impulsiona o movimento em estruturas macias e flexíveis. Como resultado, nosso atuador pode operar em tensões tão baixas quanto 24 V, entregar forças que excedam 50 N e atingir taxas de pressurização de até 100 kPa/s.

Nossas descobertas são publicadas em Comunicações da natureza.

Por que água?

Tentativas anteriores de atuadores de transição de fase lutam com taxas lentas de deformação, degradação do desempenho e designs complexos. Nossa equipe abordou esses desafios, concentrando -se nos fundamentos da engenharia: seleção de fluidos, transferência de calor e controle.

Escolhemos a água como nosso fluido de trabalho por sua segurança, disponibilidade e eficiência termodinâmica. Através de um rigoroso processo de seleção, demonstramos que a entalpia de vaporização relativamente alta da água, uma vez vista como uma desvantagem, poderia realmente servir como uma referência de desempenho confiável. O maior requisito de energia significa simplesmente que há espaço para melhorias com alternativas de entalpia mais baixas, desde que a segurança seja mantida.

Em comparações diretas, nossos atuadores feitos com elastômeros de silicone e água superaram significativamente os projetos anteriores, alcançando taxas de deformação de 16,6%/s, mantendo -se robustos em mais de mil ciclos de atuação.

Os benefícios da modularidade

No coração do nosso design está a modularidade. Ao separar a bobina de aquecimento, a câmara de fluido de trabalho e a estrutura macia externa, criamos um sistema flexível que pode ser adaptado para vários tipos de movimento: linear, flexão ou uma combinação de ambos. Nosso atuador linear é baseado em um design McKibben, enquanto a versão de flexão segue uma geometria rápida da Net-Net Pneu (FPN).

Projetamos nossos atuadores usando materiais prontos para uso e métodos de fabricação acessíveis, como impressão e fundição em 3D.

Apesar de sua simplicidade, nosso design incorpora princípios sofisticados de engenharia. Por exemplo, resolvemos uma questão significativa presente nos projetos anteriores: vibrações mecânicas causadas pela ebulição subcoolada. Essas instabilidades, decorrentes de incompatibilidades termodinâmicas dentro do atuador, foram mitigadas usando algoritmos de controle não linear que mantêm um estado de ebulição estável.

Na natureza

O que esses atuadores de transição de fase de alta potência podem realmente fazer? Para mostrar seu potencial, desenvolvemos três protótipos:

• Uma mão biomimética, alimentada por três atuadores lineares que permitem a manipulação suave do objeto.
• Uma garra macia, usando três atuadores de flexão para capturar objetos de várias formas e pesos, incluindo modelos de frutas.
• E Bixo, um robô quadrúpede projetado para escalar tubos e rastejar pelos troncos de árvores.

O movimento cíclico de Bixo (segurando, puxando e liberando) é controlado através do aquecimento localizado e resfriamento de seus atuadores. Mesmo com a limitação conhecida de resfriamento lento (ou seja, despressurização lenta), alcançamos ciclos estáveis ​​em menos de 25 segundos.

Esses protótipos não demonstram apenas viabilidade, eles sugerem uma nova classe emergente de robôs macios: econômico, seguro e capaz de operar em ambientes naturais sem bombas amarradas ou materiais perigosos.

Fervendo no futuro

Olhando para o futuro, as melhorias em potencial incluem miniaturização (para aumentar a dissipação de calor), a operação de pressão mais alta e mecanismos avançados de pré -carregamento. Mesmo em seu estado atual, porém, nosso design de atuadores oferece uma base confiável para pesquisadores que buscam construir robôs macios sem as complexidades da pneumática ou os riscos associados a sistemas de alta tensão.

O take -away? Com um pouco de calor e alguma engenharia inovadora, um tubo cheio de água pode ser apenas o atuador mais poderoso que você nunca considerou.

Esta história faz parte da caixa de diálogo Science X, onde os pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre a caixa de diálogo Science X e como participar.