Metalliske glasgear giver yndefulde robotter

Kast en baseball, og man kan sige, at det hele er i håndleddet.

For robotter, det hele er i gearene.

Gear er afgørende for præcisionsrobotik. De tillader lemmer at dreje jævnt og stoppe på kommando; gear af lav kvalitet får lemmer til at rykke eller ryste. Hvis du designer en robot til at tage prøver eller gribe fat i en afsats, den slags gear, du skal bruge, kommer ikke fra en byggemarked.

På NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, teknolog Douglas Hofmann og hans samarbejdspartnere bygger et bedre gear. Hofmann er hovedforfatter til to nylige artikler om gear lavet af bulk metallisk glas (BMG), en specialfremstillet legering med egenskaber, der gør den ideel til robotteknologi.

"Selvom BMG'er er blevet udforsket i lang tid, at forstå, hvordan man designer og implementerer dem i strukturel hardware, har vist sig at være uhåndgribelig, " sagde Hofmann. "Vores team af forskere og ingeniører hos JPL, i samarbejde med grupper på Caltech og UC San Diego, har endelig sat BMG'er igennem de nødvendige tests for at demonstrere deres potentielle fordele for NASA-rumfartøjer. Disse materialer kan muligvis tilbyde os løsninger til mobilitet i barske miljøer, som på Jupiters måne Europa."

Opskrift på det perfekte gear

Hvordan kan dette mystiske materiale være både et metal og et glas? Hemmeligheden ligger i dens atomare struktur. Metaller har en organiseret, krystallinsk arrangement. Men hvis du varmer dem op til en væske, de smelter, og atomerne bliver randomiserede. Afkøl dem hurtigt nok - ca. 1, 832 grader Fahrenheit (1, 000 grader Celsius) i sekundet - og du kan fange deres ikke-krystallinske, "flydende" form på plads.

Dette producerer et tilfældigt arrangement af atomer med en amorf, eller ikke-krystallinsk mikrostruktur. Den struktur giver disse materialer deres almindelige navne:"amorfe metaller, " eller metallisk glas.

I kraft af at være afkølet så hurtigt, materialet er teknisk set et glas. Det kan flyde let og blæsestøbes, når det opvarmes, ligesom rudeglas. Når dette glasagtige materiale fremstilles i dele større end ca. 1 millimeter, det kaldes "bulk" metallisk glas, eller BMG.

Metalliske briller blev oprindeligt udviklet hos Caltech i Pasadena, Californien, i 1960. Siden da har de er blevet brugt til at fremstille alt fra mobiltelefoner til golfkøller.

Hvad gør disse gear perfekte til rummet?

Blandt deres attraktive kvaliteter, BMG'er har lave smeltetemperaturer. Det gør det muligt at støbe dele ved hjælp af sprøjtestøbningsteknologi, svarende til hvad der bruges i plastindustrien, men med meget højere styrke og slidstyrke. BMG'er bliver heller ikke skøre i ekstrem kulde, en faktor, der kan føre til, at et gears tænder brækker. Denne sidste kvalitet gør materialet særligt anvendeligt til den slags robotter, der udføres hos JPL.

Hofmann sagde, at gear lavet af BMG'er kan "løbe koldt og tørre":indledende test har vist et stærkt drejningsmoment og jævn drejning uden smøremiddel, selv ved -328 grader Fahrenheit (-200 grader Celsius). For robotter sendt til frosne landskaber, det kan være en strømbesparende fordel. NASAs Mars Curiosity rover, for eksempel, bruger energi på at varme fedtsmøremiddel op, hver gang den skal bevæge sig.

"At være i stand til at betjene gear ved den lave temperatur af iskolde måner, ligesom Europa, er en potentiel game changer for videnskabsmænd, " sagde R. Peter Dillon, en teknolog og programleder i JPL's Materials Development and Manufacturing Technology Group. "Strøm behøver ikke længere at blive suget væk fra de videnskabelige instrumenter til opvarmning af gearkassesmøremiddel, som bevarer dyrebar batterikraft."

Gear, der drejer jævnt og samtidig reducerer omkostningerne

Det andet papir ledet af Hofmann så på, hvordan BMG'er kunne sænke omkostningerne ved fremstilling af spændingsbølgegear. Denne type udstyr, som inkluderer en metalring, der bøjes, når gearet drejer, er vanskelig at masseproducere og allestedsnærværende i dyre robotter.

Ikke alene kan BMG'er tillade disse gear at fungere ved lave temperaturer, men de kan også fremstilles til en brøkdel af prisen på deres stålversioner uden at ofre ydeevnen. Dette er potentielt spilskiftende for at reducere omkostningerne ved robotter, der bruger strain wave gear, da de ofte er deres dyreste del.

"Masseproducerende strain wave gear ved hjælp af BMG'er kan have en stor indvirkning på forbrugerrobotmarkedet, " sagde Hofmann. "Dette gælder især for humanoide robotter, hvor gear i leddene kan være meget dyre, men er nødvendige for at forhindre rystende arme. Ydeevnen ved lave temperaturer for JPL-rumfartøjer og rovere ser ud til at være en glædelig ekstra fordel."

Avisen udgivet af Avancerede tekniske materialer kigget på design og test af BMG gear til planetgearkasser. Det omfattede samarbejdspartnere ved Caltech og UC San Diego. Avisen udgivet i Videnskabelige rapporter undersøger, hvordan BMG'er kan bruges til at reducere omkostningerne til strainwave gear. Det omfattede også Caltech-samarbejdspartnere.

Bulk Metallic Glass Gears-projektet er finansieret af NASAs Space Technology Mission Directorate's Game Changing Development Program, som undersøger ideer og tilgange, der kunne løse væsentlige teknologiske problemer og revolutionere fremtidige rumbestræbelser.