Οι ερευνητές αναπτύσσουν το συστατικό που λείπει στα ρομποτικά υφάσματα

Για χρόνια το εμπόδιο με τη μαλακή ρομποτική ήταν ότι πολλά από αυτά απαιτούν κάποιο είδος αντλίας που, μέχρι τώρα, ήταν διαθέσιμη μόνο σε πιο συμβατικές μορφές που δεν φοριούνται. Αισθητήρες, ενεργοποιητές, καθώς και συσκευές αποθήκευσης και παραγωγής ενέργειας, έχουν αναπτυχθεί όλα με τη μορφή μαλακών ινών που μπορούν να υφανθούν απρόσκοπτα σε ρούχα. Ωστόσο, οι μαλακές αντλίες που έχουν αναπτυχθεί στερούνται τη ρευστοποιητική ισχύ για να τις κάνουν πραγματικά χρήσιμες και δεν έχουν κατασκευαστεί ως ίνες.

Αναφέρουν τα ευρήματά τους σε Επιστήμη, Michael Smith, Vito Cacucciolo και Χέρμπερτ Σι στην École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) στην Ελβετία ανέπτυξαν μια μαλακή υδραυλική αντλία που όχι μόνο ξεπερνά τη ρευστοποιημένη ισχύ που είχε προηγουμένως επιτευχθεί κατά ένα συντελεστή δέκα, αλλά παίρνει επίσης τη μορφή ίνας.

«Η υδραυλική ενεργοποίηση είναι ενδιαφέρουσα γιατί είναι μαλακή και συμβατή, και μπορείτε να την βάλετε στο σώμα», λέει ο Shea. Αυτός και οι συνάδελφοί του είχαν σε μεγάλο βαθμό παρακινηθεί από μακροπρόθεσμους στόχους να αναπτύξουν έναν μαλακό άνετο εξωσκελετό που θα μπορούσε να φορέσει κάποιος για αποκατάσταση ή υποστήριξη δύναμης, για παράδειγμα, ή για να επιτρέψει σε κάποιον με περιορισμένη κινητικότητα να περπατήσει.

Η αντλία ινών λειτουργεί με βάση την ηλεκτροϋδροδυναμική, μια αρχή που μοιράζεται α ελαστική αντλία που έδειξε η ομάδα του Shea το 2019. Ενώ αυτή η αντλία είχε ηλεκτρόδια που εναλλάσσονταν κατά μήκος του εσωτερικού ενός γεμισμένου με υγρό καναλιού σαν συμπλεγμένα δάχτυλα, η αντλία ινών περιέχει θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια περιελιγμένα γύρω από το εσωτερικό ενός γεμισμένου με υγρό σωλήνα. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων ιονίζει τα μόρια στο ρευστό και τα επιταχύνει μέχρι τον σωλήνα. Καθώς τα γύρω μόρια παγιδεύονται με τα ιονισμένα μόρια, το υγρό μετατοπίζει την πίεση που δημιουργεί το σωλήνα.

Ο μηχανισμός της αντλίας βασίζεται στα ηλεκτρόδια που συγκρατούνται στη θέση τους στο εσωτερικό του σωλήνα έτσι ώστε να υπάρχει άμεση επαφή μεταξύ τους και του υγρού, ώστε να μπορούν να εγχύουν φορτίο σε αυτό. Ενώ ήταν δύσκολο, οι ερευνητές βρήκαν μια δύσκολη διαδρομή προς την απαιτούμενη γεωμετρία στρίβοντας το υλικό του σωλήνα και τα ηλεκτρόδια μαζί γύρω από ένα μανδρέλι.

«Οποιαδήποτε μέτρηση μπορείτε να σκεφτείτε για να μετρήσετε μια αντλία γίνεται καλύτερη όταν τη μετατρέπετε σε ίνα κατά τουλάχιστον 10», λέει ο Smith, ο οποίος ανέπτυξε τη γεωμετρία περιέλιξης, αναφέροντας βελτιώσεις στην πίεση, τον ρυθμό ροής, την απόδοση και την ισχύ. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη συνεχή άντληση κατά μήκος του σωλήνα που δίνει η ελικοειδής δομή, η οποία οδηγεί σε ομαλότερη ροή υγρού, εξηγεί ο Shea.

Η κυλινδρική συμμετρία μειώνει επίσης τη ρευστική αντίσταση, ενώ τα καλώδια μπορεί επίσης να παρέχουν μια πιο κατανομή ιονιστικού πεδίου από τα επίπεδα ηλεκτρόδια. Το άλμα στη ρευστή ισχύ που παρείχε η συσκευή ήταν μια ευπρόσδεκτη έκπληξη για τους ερευνητές, καθώς –όπως επισημαίνει ο Smith– η αντλία είναι πολύ δύσκολο να προσομοιωθεί με ακρίβεια λόγω όλης της «ζευγμένης φυσικής» που εμπλέκεται.

Μια απτική αίσθηση

Η αντλία απέχει ακόμα λίγο από την απόδοση που απαιτείται για έναν μαλακό εξωσκελετό, αλλά οι ερευνητές έχουν αποδείξει πόσο αποτελεσματική μπορεί να είναι για τη δημιουργία απτικών ερεθισμάτων - την αίσθηση του αγγίγματος ενός αντικειμένου. Το βουητό συναίσθημα της πληκτρολόγησης σε μια οθόνη αφής είναι ένα καθημερινό παράδειγμα απτικών απτικών, αλλά, όπως επισημαίνει ο Shea, «πολλά από το πώς αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο είναι στην πραγματικότητα θερμική αγωγιμότητα». Σε έναν εικονικό κόσμο, η αναδημιουργία αυτών των θερμικών εμπειριών μπορεί να βελτιώσει την αίσθηση της βύθισης, αλλά ήταν δύσκολο να εφαρμοστεί. Οι αντλίες ινών μπορούν να κυκλοφορήσουν τοπικά το ψυχρό υγρό, δημιουργώντας τοπικά θερμικά απτικά ερεθίσματα χωρίς να χρειάζονται μια τεράστια σειρά ξεχωριστών αντλιών και βαλβίδων.

Τζουν Ζου είναι καθηγητής στο State Key Lab of Fluid Power and Mechatronic Systems στην Κίνα, ο οποίος έχει επίσης εργαστεί σε μαλακές αντλίες. Αν και δεν συμμετέχει σε αυτήν την έρευνα, την περιγράφει ως «μια αποτελεσματική ενοποίηση ενεργοποίησης και δυνατότητας ραφής για εφαρμογές που φοριούνται».

Άντριου Κον, ειδικός στην μαλακή ρομποτική στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε, περιγράφει το έργο ως «ένα συναρπαστικό βήμα» προς τις άνετες φορητές τεχνολογίες για φυσική βοήθεια και θερμική ρύθμιση. Υπογραμμίζει την απλή μέθοδο κατασκευής, η οποία μπορεί να αυξήσει το μήκος της αντλίας ινών που παράγεται. «Αυτό θα βοηθήσει να μεταφραστεί αυτή η τεχνολογία έξω από το εργαστήριο και σε πρακτικές εφαρμογές που φοριούνται πολύ πιο γρήγορα», προσθέτει, αν και επισημαίνει επίσης ότι τα μεγάλα ηλεκτρικά πεδία και το εξειδικευμένο αντλούμενο υγρό μπορεί να είναι περιορισμοί του τρέχοντος σχεδιασμού.

Κλινική κλωστοϋφαντουργίας: ελαστικά υφάσματα προσαρμοσμένα με ηλεκτρόδια νανοσωλήνων άνθρακα παρακολουθούν την καρδιά

«Λειτουργούμε σε υψηλή τάση, αλλά η κατανάλωση ενέργειας των αντλιών είναι πολύ μέτρια», λέει ο Smith σε απάντηση. Προσθέτει ότι οι αντλίες ινών μπορούν να τροφοδοτούνται με μπαταρίες και να μεταφέρουν ρεύμα πολύ κάτω από κάθε όριο ασφαλείας για ανθρώπινη αλληλεπίδραση.

Οι ερευνητές απέδειξαν ότι οι αντλίες ινών μπορούν να ασκήσουν την πίεση που απαιτείται για την ενεργοποίηση των τεχνητών μυών, την απόδοση θερμικών απτικών ερεθισμάτων σε γάντια και τη δημιουργία ενεργών ενδυμάτων ψύξης. Στο μέλλον ελπίζουν να διευρύνουν την επιλογή των υγρών που χρησιμοποιούν, αλλά τώρα αναζητούν κυρίως τρόπους για να βελτιώσουν την απόδοση των αντλιών ινών, να τις κάνουν πιο μακρύτερες και να τις συνδυάσουν με άλλες ενεργές ίνες, όπως αισθητήρες και ενεργοποιητές, σε ίσως μια μέρα παράγουν έναν μαλακό και άνετο εξωσκελετό.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/researchers-develop-the-missing-component-in-robotic-textiles/