300 år gammelt stempeldesign genopfundet med bløde fleksible materialer

Siden deres opfindelse i slutningen af ​​1700-tallet, da den franskfødte britiske fysiker Denis Papin, opfinderen af ​​trykkogeren, foreslået stempelprincippet, stempler er blevet brugt til at udnytte væskens kraft til at udføre arbejde i adskillige maskiner og enheder.

Konventionelle stempler er lavet af et stift kammer og et stempel indeni, som kan glide langs kammerets indvendige væg og samtidig bevare en tæt tætning. Som resultat, stemplet deler to rum, som er fyldt med to væsker og forbundet til to udvendige væskekilder. Hvis væskerne har forskellige tryk, stemplet vil glide i retningen med det lavere tryk og kan samtidig drive bevægelsen af ​​en aksel eller anden anordning til at udføre fysisk arbejde. Dette princip er blevet brugt til at designe mange maskiner, herunder forskellige stempelmotorer, hydrauliske løftere og kraner som dem, der bruges på byggepladser, og el-værktøj.

Imidlertid, konventionelle stempler lider af flere mangler:den høje friktion mellem det bevægelige stempel og kammervæggen kan føre til nedbrydning af tætningen, lækage, og gradvise eller pludselige fejlfunktioner. Ud over, især i det lavere trykspektrum, energieffektivitet og responshastighed er ofte begrænset.

Nu, et team af robotikere ved Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og Massachusetts Institute of Technology (MIT) har udviklet en ny måde at designe stempler på, der erstatter deres konventionelle stive elementer med en mekanisme, der bruger komprimerbare strukturer inde i en membran lavet af bløde materialer.

De resulterende "spændingsstempler" genererer mere end tre gange kraften i forhold til sammenlignelige konventionelle stempler, eliminere meget af friktionen, og ved lave tryk er op til 40 procent mere energieffektive. Undersøgelsen er publiceret i Avancerede funktionelle materialer .

"Disse "spændingsstempler" fremstillet med strukturer, der indeholder bløde, fleksible materialer er en fundamentalt ny tilgang til stempelarkitektur, der åbner et omfattende designrum. De kunne tabes i maskiner, udskiftning af konventionelle stempler, giver forbedret energieffektivitet, " sagde Wyss Institute Founding Core Faculty-medlem og co-korresponderende forfatter Wood, Ph.D., som også er Charles River-professor i ingeniørvidenskab og anvendt videnskab ved SEAS og medleder af Wyss Institutes Bioinspired Soft Robotics Initiative. "Vigtigt, dette koncept muliggør også en række nye geometrier og funktionelle variationer, der kan give ingeniører mulighed for at opfinde nye maskiner og enheder og miniaturisere eksisterende."

Wood ledede undersøgelsen sammen med Daniela Rus, Ph.D., Professor og direktør for MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) og Shuguang Li, Ph.D., en postdoc-stipendiat mentoreret af Wood og Rus.

Spændingsstempelkonceptet bygger på holdets 'væskedrevne origami-inspirerede kunstige muskler' (FOAM'er), der bruger bløde materialer til at give bløde robotter mere kraft og bevægelseskontrol, mens de bevarer deres fleksible arkitekturer. FOAMs er lavet af en foldet struktur, der er indlejret i en væske i en fleksibel og hermetisk forseglet hud. Ændring af væsketrykket udløser den origami-lignende struktur til at folde sig ud eller kollapse langs en forudkonfigureret geometrisk bane, som inducerer et formskifte i hele FOAM, lader den gribe eller frigive genstande eller udføre andre former for arbejde.

"I princippet, vi udforskede brugen af ​​FOAMs som stempler i et stift kammer, " sagde Li. "Ved at bruge en fleksibel membran bundet til en komprimerbar skeletstruktur indeni, og forbinde den til en af ​​de to væskeporte, vi kan skabe et separat væskerum, der udviser funktionaliteten af ​​et stempel."

Forskerne viste, at en stigning i drivtrykket i det andet væskereservoir, der omgiver membranen i kammeret, øger spændingskræfterne i membranmaterialet, som overføres direkte til den bundne skeletstruktur. Ved fysisk at forbinde skelettet med et aktiveringselement, der når ud af kammeret, kompression af skelettet er koblet til en mekanisk bevægelse uden for stemplet.

"Bedre stempler kunne fundamentalt transformere den måde, vi designer og bruger mange typer systemer på, fra støddæmpere og bilmotorer til bulldozere og mineudstyr, " siger Rus, Andrew (1956) og Erna Viterbi professor i elektroteknik og datalogi ved MIT. "Vi tror, ​​at en tilgang som denne kunne hjælpe ingeniører med at udtænke forskellige måder at gøre deres kreationer stærkere og mere energieffektive."

Holdet testede deres stempel mod et konventionelt stempel i en genstandsknusningsopgave, og viste, at den knækkede genstande som træblyanter ved meget lavere inputtryk (tryk genereret i det hudomgivende væskerum). Ved samme indgangstryk, især i det lavere trykområde, spændingsstemplerne udviklede mere end tre gange større udgangskræfter og viser mere end 40 procent højere energieffektivitet ved at udnytte den væskeinducerede spænding i deres fleksible hudmaterialer.

"Ved at konfigurere de komprimerbare skeletter med meget forskellige geometrier såsom en række diskrete skiver, som hængslede skeletter, eller som springskeletter, udgangskræfterne og bevægelserne bliver meget afstembare, " sagde Li. "Vi kan endda inkorporere mere end et spændingsstempel i et enkelt kammer, eller gå et skridt videre og også fremstille det omgivende kammer med et fleksibelt materiale som et lufttæt nylonstof."