Forskere utvikler den manglende komponenten i robottekstiler

I årevis har ulempen med myk robotikk vært at mye av det krever en slags pumpe som til nå kun har vært tilgjengelig i mer konvensjonelle, ikke-bærbare former. Sensorer, aktuatorer, samt energilagrings- og genereringsenheter, er alle utviklet i form av myke fibre som kan veves sømløst inn i klær. De myke pumpene som er utviklet mangler imidlertid fluidkraften til å gjøre dem virkelig nyttige, og er ikke laget som fibre.

Rapportere funnene sine i Vitenskap, Michael Smith, Vito Cacucciolo og Herbert Shea ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Sveits har utviklet en myk hydraulisk pumpe som ikke bare slår fluidkraften som tidligere er oppnådd med en faktor på ti, men også har form av en fiber.

"Hydraulisk aktivering er interessant fordi den er myk og medgjørlig, og du kan sette den på kroppen," sier Shea. Han og kollegene hans hadde i stor grad vært motivert av langsiktige mål om å utvikle et mykt og behagelig eksoskjelett som noen kunne bruke for for eksempel rehabilitering eller styrkestøtte, eller for å gjøre det mulig for noen med begrenset mobilitet å gå.

Fiberpumpen opererer basert på elektrohydrodynamikk, et prinsipp den deler med en stretchy pumpe som Sheas gruppe demonstrerte i 2019. Mens den pumpen hadde elektroder som vekslet langs innsiden av en væskefylt kanal som sammenflettede fingre, inneholder fiberpumpen positive og negative elektroder kveilet rundt innsiden av et væskefylt rør. Potensialforskjellen mellom elektrodene ioniserer molekyler i væsken og akselererer dem opp i røret. Når omkringliggende molekyler blir fanget opp av de ioniserte molekylene, skifter væsken opp i røret som genererer trykk.

Pumpens mekanisme er avhengig av at elektrodene holdes på plass på innsiden av røret slik at det er direkte kontakt mellom dem og væsken slik at de kan injisere ladning inn i den. Mens de var utfordrende, fant forskerne en fin vei til den nødvendige geometrien ved å vri rørmaterialet og elektrodene sammen rundt en dor.

"Enhver beregning du kan tenke på for å måle en pumpe blir bedre når du gjør den til en fiber med en faktor på minst 10," sier Smith, som utviklet viklingsgeometrien, med henvisning til forbedringer i trykk, strømningshastighet, effektivitet og kraft. Dette er i stor grad takket være den kontinuerlige pumpingen langs røret som den spiralformede strukturen gir, noe som fører til jevnere væskestrøm, forklarer Shea.

Den sylindriske symmetrien senker også fluidimpedansen, mens ledningene også kan gi en mer ioniserende feltfordeling enn flate elektroder. Spranget i fluidkraft levert av enheten kom som en velkommen overraskelse for forskerne, siden - som Smith påpeker - pumpen er svært vanskelig å simulere nøyaktig på grunn av all den "koblede fysikken" som er involvert.

En haptisk følelse

Pumpen er fortsatt et stykke unna effektiviteten som kreves for et mykt eksoskjelett, men forskerne har vist hvor effektiv den kan være for å generere haptiske stimuli – følelsen av å berøre et objekt. Den summende følelsen av å skrive på en berøringsskjerm er et hverdagslig eksempel på taktile haptikk, men, som Shea påpeker, "mye av hvordan vi oppfatter verden er faktisk termisk ledningsevne." I en virtuell verden kan det å gjenskape disse termiske opplevelsene forbedre følelsen av fordypning, men det har vært vanskelig å implementere. Fiberpumpene kan lokalt sirkulere avkjølt væske, og skape lokale termiske haptiske stimuli uten å trenge et stort utvalg separate pumper og ventiler.

juni Zou er professor ved State Key Lab of Fluid Power and Mechatronic Systems i Kina som også har jobbet med myke pumper. Selv om han ikke er involvert i denne forskningen, beskriver han den som "en effektiv integrering av aktivering og sømbarhet for brukbare bruksområder".

Andrew Conn, en ekspert på myk robotikk ved University of Bristol i Storbritannia, som heller ikke var involvert, beskriver arbeidet som «et spennende steg» mot komfortable bærbare teknologier for fysisk assistanse og termisk regulering. Han fremhever den enkle fabrikasjonsmetoden, som kan skalere opp lengden på produsert fiberpumpe. "Dette burde bidra til å oversette denne teknologien ut av laboratoriet og til praktisk brukbare bruksområder mye raskere," legger han til, selv om han også påpeker at de store elektriske feltene og spesialisert pumpevæske kan være begrensninger for dagens design.

Tekstilklinikk: strekkbare stoffer skreddersydd med karbon nanorørelektroder overvåker hjertet

"Vi driver med høy spenning, men strømforbruket til pumpene er veldig beskjedent," sier Smith som svar. Han legger til at fiberpumpene kan være batteridrevne og føre en strøm godt under eventuelle sikkerhetsterskler for menneskelig interaksjon.

Forskerne har vist at fiberpumpene kan bruke trykket som trengs for å aktivere kunstige muskler, gi termiske haptiske stimuli i hansker og skape aktive kjølende plagg. I fremtiden håper de å utvide utvalget av væsker de bruker, men de ser nå først og fremst på måter å forbedre effektiviteten til fiberpumpene, gjøre dem lengre, og flette dem sammen med andre aktive fibre som sensorer og aktuatorer, til kanskje en dag produsere et mykt og behagelig eksoskjelett.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/researchers-develop-the-missing-component-in-robotic-textiles/