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研究人员制造出3d打印的 出汗的机器人肌肉

2020-02-02 10:22:40

就在机器人似乎不能再凉快的时候,康奈尔大学的研究人员创造了一种软肌肉机器人,它可以通过出汗来调节温度。

该项目的负责人、机械与航空航天工程副教授罗布·谢泼德(Rob Shepherd)表示,这种形式的热管理是让无绳、高性能机器人长时间运行而不过热的基础。

该团队的论文,“3d打印水凝胶驱动器中的自主排汗”,发表于1月29日的《科学机器人》(Science Robotics)上。

谢泼德是这篇论文的资深作者。他说,制造持久、适应性强、灵活的机器人的一个障碍是管理机器人的内部温度。如果驱动机器人的高扭矩密度电机和放热发动机过热,机器人将停止工作。

对于由合成材料制成的软机器人来说,这是一个特别的问题。虽然更灵活,他们保持他们的热量,不像金属,散热快。内部冷却技术,比如风扇,可能不会有太大帮助,因为它会占用机器人内部的空间,增加重量。

因此,谢泼德的团队从哺乳动物的自然降温系统中获得了灵感:出汗。

“出汗的能力是人类最显著的特征之一。16日,博士。18岁,Facebook现实实验室的研究科学家。出汗利用蒸发掉的水分迅速散热,并能在环境温度以下降温。所以,通常情况下,生物学为我们这些工程师提供了很好的指导。”

谢泼德的团队与沃尔特·r·里德(Walter R. Read)的工程学教授埃马纽埃尔·詹内利斯(Emmanuel Giannelis)的实验室合作,通过一种名为多材料立体光刻(multi- materials stereolithography)的3d打印技术,制造出了出汗所需的纳米聚合物材料,这种技术利用光将树脂固化成预先设计好的形状。

“我们的贡献是制造纳米颗粒和聚合物材料的混合物,这基本上让我们能够控制这些液体的粘度或流动,”Giannelis说,他也是康奈尔大学的研究副教务长和技术转让、知识产权和研究政策副总裁。

研究人员制造了由两种水凝胶材料组成的手指状驱动器,这种材料可以保持水分并对温度做出反应——实际上就是“智能”海绵。由聚n-异丙基丙烯酰胺组成的基础层,通过收缩来对30摄氏度以上的温度做出反应,从而将水挤压到上面一层有微米大小孔的聚丙烯酰胺中。这些毛孔对相同的温度范围很敏感,会自动扩张以释放“汗水”,当温度低于30摄氏度时就会关闭。

研究人员发现,这些水的蒸发会在30秒内使执行器的表面温度降低21摄氏度,这一降温过程的效率大约是人类的三倍。当暴露在来自风扇的风中时,执行器能够以大约6倍的速度冷却。

沃林说:“这种合成策略的最佳之处在于,材料本身具有热调节性能。”“我们不需要传感器或其他部件来控制出汗率。当当地温度高于转变温度时,气孔就会自己打开和关闭。”

该团队将致动器的手指植入一只可以抓取和举起物体的机械手中,他们意识到自主出汗不仅可以让手变凉,还可以降低物体的温度。谢泼德说,虽然这种润滑可能会使机器人的手变得很滑,但对水凝胶质地的修改可以通过改善手的抓握力来进行补偿,就像皮肤上的皱纹一样。

这项技术的一个缺点是它会阻碍机器人的移动。机器人还需要补充它们的水供应,这让谢泼德设想,有一天,软机器人不仅会像哺乳动物那样出汗,还会像它们那样喝水。

研究人员写道,机器人分泌液体的能力也可能导致吸收营养、催化反应、去除污染物和在机器人表面覆盖一层保护层的方法。

谢泼德说:“我认为未来制造这些生物模拟材料和机器人将依赖于材料的组成。”“这就提出了在这一领域进行多学科研究的重要性,在这一领域,没有任何一个群体能够解决所有问题。”

其他贡献者包括博士后助理和联合首席作者Anand Mishra;博士后潘文阳;博士生Patricia Xu;以及意大利理工学院微生物机器人中心的芭芭拉·马佐莱。

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