机器人也会流汗?工业仿生设计的突破性创新之举

2020-05-09 14:15 18 阅读 ID:33
将门
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    From: Scientific American; 作者:Iris


    电子设备往往无法承受高温,因而电脑主机内需要装风扇,汽车引擎需要配备散热器。一般而言,这些冷却装置都是由金属材料所制,很难用弹性的柔软塑料来制成。然而,康奈尔大学的研究团队却受人体出汗的机理启发,开发了一种柔软的夹持机器人,当温度上升时,它会自动开始排汗,从而实现散热。

    软体机器人有时比金属机器人更具适应性和耐用性,在使用上也较为安全。然而,柔性材料的不耐高温性,也会使这些机器人在高温环境中变得脆弱。比如,软体机器人的制造材料比金属的保温时间长,当温度改变时,材料的硬度也会改变。这些特性会影响机器人弯曲的方式,从而影响它们抓取物体的能力。因此,康奈尔大学的团队认为,用“出汗”的方式来散热更可取一些。

    探索机器人排汗散热的奥秘

    还记得三年前日本研发的那长相堪比表情包、做俯卧撑还会流汗的机器人吗?在当时,机器人Kengoro身上的马达在运行过程中会凭借水流流动来进行冷却,并通过人工毛孔将水排出。如今,康奈尔大学的研究团队改进了这种机器排汗的原理,并将其应用于软体机器人中。


    意大利圣安娜高等研究院(Sant’anna School of Advances Studies)生物机器人研究所的软体机器人专家,塞西莉亚·拉斯基(Cecilia Laschi)如是说道,“这个想法非常棒,出汗功能让机器人更加人性化了,而这种栩栩如生的形象,在传统的机器人技术中是不可能实现的。”


    出汗同时也是一种非常有效的冷却方法。研究员托马斯·沃林说:“优秀的马拉松运动员每小时可以减少近四升的汗液,这相当于大约2.5千瓦的冷却能量。”他补充说,相比之下,家用冰箱在一小时内大约消耗1千瓦的能量,可见出汗机理的高效性。


    研究人员认为这种技术尤为适用于软体机器人。从构造上说,机器人的“手指”是通过液压系统抽水所形成的气球状的软体设备,它们通常由水凝胶(一种富含水的聚合物)等材料制成。研究团队在手指上设计出可呼吸的毛孔,让手指释放出抽水时产生的多余的“汗水”。但液体必须以可控的方式排出,否则夹持器会排放太快,使得手指“漏气”。


    为了控制机器人出汗的过程,团队用“智能凝胶”制造了夹持机器人,当温度升高时,凝胶的大小也会发生变化。沃林和他的同事使用了一种叫做PNIPA的聚合物,当温度达到40摄氏度左右时,PNIPA就开始收缩。而在手指的外部涂装部分,他们转而使用一种名为丙烯酰胺的化学物质,这种物质会在高温下膨胀。他们还给手指设计了一种特殊的纹理,以促进蒸发,并在外部穿孔,作为指部的毛孔,小孔的平均直径只有五分之一毫米。当手指受热时,它们的体积会缩小,毛孔会扩张,通过内部聚合物的收缩和外部化学物质的膨胀,液体就被从小孔中挤了出来。


    这种合成策略的最佳之处在于材料本身的热调节性能,即它们不需要通过传感器或其他组件来控制出汗率。当环境温度高于转变温度时,气孔就会自己打开和关闭。

    机器出汗机理有哪些优势?

    为了比较机器人散发热量的能力,团队安排了两台机器人在风扇吹风的时候一齐捡起热的物体来进行实验。结果显示,出汗的夹持器降温的速度比干的夹持器快六倍,其每公斤体重的降温能量为107瓦,是出汗动物调节体温效率的三倍。

    一开始,人们担心软体机器人的排汗机理会对机器运作本身带来一些麻烦。首先,当液体从手指滴落出来时,为了支撑手指的弯曲力,液压系统必须调整设备内的压力,以弥补内部损失的含水体积。然而,研究小组发现,即使储备的水少了,手指仍然可以按要求的角度弯曲。


    团队也曾担心,当被湿滑的水覆盖时,机器人夹持物体的钳子表面的摩擦力也会减弱。未来的制造软体机器人二代版本的材料也许能在接触大量水分时(就像人类的手指那样)起皱,从而增强抓握的能力。

    无论如何,各项试验都显示出汗机理是一种可行的冷却软体机器人的方法,这也为科学家提供了在此基础上进一步开发软体机器人项目的机会。拉斯基指出,软体机器人还有各种各样用途。比如在医学领域中,软体机器人能用于外科手术,帮助促进病人康复,正因为它们与人体更兼容,所以在机器必须与人直接接触的情况下,这类机器人很适用。

    团队也在研究能够探索和监控周围环境的软体机器人。其中,许多机器通过液体,用流体驱动的方式来移动部件,对这部分机器来说,康奈尔大学研究团队的出汗方法也许就能奏效。拉斯基说:“流体驱动在软机器人领域正值大热,所以在很多情况下,关于出汗散热机制的想法和方案都可以得到应用。从这个意义上说,我认为它非常强大。”




    -The End-

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