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机器人循环系统提供了可能性

2020-02-02 10:24:17

不受约束的机器人承受着耐力问题。一种可能的解决方案:一种循环液体-“机器人血液”-储存能量并为其应用提供动力,用于复杂、长期的任务。

人类和其他复杂的生物体通过集成系统来管理生命。人类储存能量的脂肪储备遍布全身,一个复杂的循环系统将氧气和营养物质输送到数万亿个细胞。

但是,打开一个不受束缚的机器人的引擎盖,事情就会变得更加分裂:在这里是固体电池,在那里是马达,冷却系统和其他部件分散在整个地方。

康奈尔大学的研究人员已经建立了一个合成血管系统,能够泵出能量密集的液压液体,储存能量,传递力,操作附属物和提供结构,所有这些都是在一个集成的设计。

“在自然界中,我们看到有机体能够在执行复杂任务的同时运作多长时间。机器人不可能在很长时间内完成类似的壮举,”机械和航空航天工程副教授罗布·谢泼德(Rob Shepherd)说。“我们的生物启发方法可以大大提高系统的能量密度,同时让软机器人保持移动的时间更长。”

“有机机器人实验室”主任谢博德是《能量密集型机器人的电解血管系统》的资深作者,6月19日在《自然》杂志上发表。博士生卡梅隆·奥宾是主要作者。

工程师们依靠锂离子电池来储存能量。但固体电池体积庞大,目前的设计限制。或者,氧化还原流动电池(R FB)依赖于固体阳极和高度可溶性阴极来发挥作用。溶解组分储存能量,直到在化学还原和氧化或氧化还原反应中释放出来。

软机器人大多是流体-按体积计算可达90%左右的流体,并且多次使用液压液体。使用该流体储存能量提供了增加能量密度而不增加重量的可能性。

研究人员通过创造一个以狮子鱼为灵感的水生软机器人来测试这一概念,该机器人由合著者詹姆斯·皮库尔(James Pikul)设计,他曾是一名博士后研究员,现在是宾夕法尼亚大学的助理教授。狮子鱼使用起伏的扇形鳍在珊瑚礁环境中滑行(为了真实起见,研究人员选择不添加像机器人活着的同类那样的毒鳍)。

硅树脂皮在外面和灵活的电极和离子分离器膜内允许机器人弯曲和弯曲。相互连接的锌碘流动电池,通过电化学反应驱动泵和电子。研究人员获得的能量密度约等于特斯拉型S锂离子电池的一半。

机器人游泳使用从流动电池电池的泵浦传输到鳍的功率。最初的设计提供了足够的力量在上游游泳超过36个小时。

目前的RFB技术通常用于大型固定应用,如储存风能和太阳能。射频设计历来受到低功率密度和工作电压的影响。研究人员通过串联风扇电池来解决这些问题,并通过在翅片区域分配电极来最大限度地提高功率密度。

“我们希望在一个机器人中取出尽可能多的部件,并将它们转化为能源系统。如果你的机器人里已经有了液压液体,那么你就可以利用大量的能量,给机器人更多的自主操作的自由,”谢泼德说。

水下软机器人为研究和探索提供了诱人的可能性。由于水生软机器人受到浮力的支持,它们不需要外骨骼或内骨骼来维持结构。Shepherd认为,通过设计能让机器人在更长时间内发挥作用的电源,自主机器人可能很快就会在地球海洋中执行重要的科学任务,并完成取样珊瑚礁等微妙的环境任务。这些装置也可以被送到外星世界进行水下侦察任务。

进一步探索

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