Robots kredsløbssystem giver muligheder

Ubundne robotter lider af et udholdenhedsproblem. En mulig løsning:en cirkulerende væske - "robotblod" - til at lagre energi og drive dens applikationer til sofistikerede, langvarige opgaver.

Mennesker og andre komplekse organismer styrer livet gennem integrerede systemer. Mennesker gemmer energi i fedtreserver spredt over hele kroppen, og et indviklet kredsløbssystem transporterer ilt og næringsstoffer til at drive billioner af celler.

Men åbne hætten på en ubundet robot, og tingene er meget mere segmenterede:Her er det solide batteri og derovre er motorerne, med kølesystemer og andre komponenter spredt udover.

Cornell-forskere har skabt et syntetisk vaskulært system, der er i stand til at pumpe en energitæt hydraulisk væske, der lagrer energi, overfører kraft, betjener vedhæng og giver struktur, alt sammen i et integreret design.

"I naturen ser vi, hvor længe organismer kan fungere, mens de udfører sofistikerede opgaver. Robotter kan ikke udføre lignende bedrifter meget længe, "sagde Rob Shepherd, lektor i maskin- og rumfartsteknik. "Vores bio-inspirerede tilgang kan dramatisk øge systemets energitæthed og samtidig tillade bløde robotter at forblive mobile i meget længere tid."

Fårehyrde, direktør for Organic Robotics Lab, er seniorforfatter af "Electrolytic Vascular Systems for Energy Dense Robots, ", der blev offentliggjort den 19. juni i Natur . Doktorand Cameron Aubin er hovedforfatter.

Ingeniører er afhængige af lithium-ion-batterier for deres tætte energilagringspotentiale. Men solide batterier er omfangsrige og har designmæssige begrænsninger. Alternativt redox flow-batterier (RFB) er afhængige af en solid anode og meget opløselig katolyt for at fungere. De opløste komponenter lagrer energi, indtil den frigives i en kemisk reduktion og oxidation, eller redox, reaktion.

Bløde robotter er for det meste flydende - op til omkring 90% væske efter volumen, og mange gange bruge hydraulisk væske. Brug af denne væske til at lagre energi giver mulighed for øget energitæthed uden ekstra vægt.

Forskerne testede konceptet ved at skabe en akvatisk blød robot inspireret af en løvefisk, designet af medforfatter James Pikul, en tidligere postdoc-forsker nu adjunkt ved University of Pennsylvania. Løvefisk bruger bølgende viftelignende finner til at glide gennem koralrevsmiljøer (i ét offer for sandheden, forskerne valgte ikke at tilføje giftige finner som robotternes levende modstykker).

Silikonehud på ydersiden og fleksible elektroder og en ionudskillermembran inde lader robotten bøje og bøje. Indbyrdes forbundne zink-iodid-flowcellebatterier driver indbyggede pumper og elektronik gennem elektrokemiske reaktioner. Forskerne opnåede energitæthed svarende til omkring halvdelen af ​​en Tesla Model S lithium-ion batteri.

Robotten svømmer ved hjælp af kraft, der overføres til finnerne fra pumpning af flowcellebatteriet. Det oprindelige design gav nok strøm til at svømme opstrøms i mere end 36 timer.

Den nuværende RFB-teknologi bruges typisk i store, stationære applikationer, såsom lagring af energi fra vind- og solkilder. RFB -design har historisk set lidt under lav effekttæthed og driftsspænding. Forskerne overvandt disse problemer ved at tilslutte ventilatorens battericeller i serie, og maksimeret effekttæthed ved at fordele elektroder gennem finneområderne.

"Vi ønsker at tage så mange komponenter i en robot og omdanne dem til energisystemet. Hvis du allerede har hydrauliske væsker i din robot, så kan du trykke på store energilagre og give robotter øget frihed til at operere autonomt, " sagde Shepherd.

Bløde undervandsrobotter tilbyder spændende muligheder for forskning og udforskning. Da bløde vandrobotter understøttes af opdrift, de kræver ikke et eksoskelet eller endoskelet for at opretholde strukturen. Ved at designe strømkilder, der giver robotter mulighed for at fungere i længere tid, Shepherd mener, at autonome robotter snart kan strejfe rundt i jordens oceaner på vitale videnskabelige missioner og til delikate miljøopgaver som at tage prøver af koralrev. Disse enheder kan også sendes til udenjordiske verdener til undervandsrekognosceringsmissioner.