Sedan deras uppfinning i slutet av 1700-talet när den franskfödda brittiske fysikern Denis Papin, uppfinnaren av tryckkokaren, föreslog kolvprincipen, kolvar har använts för att utnyttja vätskans kraft för att utföra arbete i många maskiner och enheter.

Konventionella kolvar är gjorda av en styv kammare och en kolv inuti, som kan glida längs kammarens innervägg samtidigt som den bibehåller en tät tätning. Som ett resultat, kolven delar två mellanslag, som är fyllda med två vätskor och anslutna till två yttre vätskekällor. Om vätskorna har olika tryck, kolven glider i riktningen med det lägre trycket och kan samtidigt driva rörelsen hos en axel eller annan anordning för att utföra fysiskt arbete. Denna princip har använts för att designa många maskiner, inklusive olika kolvmotorer, hydrauliska lyftare och kranar som de som används på byggarbetsplatser, och elverktyg.

Dock, konventionella kolvar lider av flera brister:den höga friktionen mellan den rörliga kolven och kammarväggen kan leda till att tätningen går sönder, läckage, och gradvisa eller plötsliga funktionsstörningar. Dessutom, särskilt i det lägre tryckspektrumet, energieffektivitet och svarshastighet är ofta begränsade.

Nu, ett team av robotister vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), och Massachusetts Institute of Technology (MIT) har utvecklat ett nytt sätt att designa kolvar som ersätter deras konventionella styva element med en mekanism som använder komprimerbara strukturer inuti ett membran av mjuka material.

De resulterande "spänningskolvarna" genererar mer än tre gånger kraften hos jämförbara konventionella kolvar, eliminera mycket av friktionen, och vid låga tryck är upp till 40 procent mer energieffektiva. Studien publiceras i Avancerade funktionella material .

"Dessa" spänningskolvar "tillverkade med strukturer som innehåller mjuka, flexibla material är en helt ny metod för kolvarkitektur, som öppnar ett omfattande designutrymme. De kan tappas i maskiner, byte av konventionella kolvar, ger förbättrad energieffektivitet, "sade Wyss Institute Founding Core-fakultetsmedlem och motsvarande författare Wood, Ph.D., som också är Charles River-professor i teknik och tillämpad vetenskap vid SEAS och medledare för Wyss Institute's Bioinspired Soft Robotics Initiative. "Viktigt, detta koncept möjliggör också en rad nya geometrier och funktionella variationer som kan ge ingenjörer möjlighet att uppfinna nya maskiner och enheter och att minimera befintliga. "

Wood ledde studien tillsammans med Daniela Rus, Ph.D., Professor och chef för MIT:s datavetenskapliga och artificiella intelligenslaboratorium (CSAIL) och Shuguang Li, Ph.D., en postdoktor mentor av Wood och Rus.

Spänningskolvkonceptet bygger på lagets "vätskedrivna origami-inspirerade konstgjorda muskler" (FOAM) som använder mjuka material för att ge mjuka robotar mer kraft och rörelsekontroll samtidigt som de bibehåller sina flexibla arkitekturer. SKUM är gjorda av en vikt struktur som är inbäddad i en vätska i en flexibel och hermetiskt tillsluten hud. Ändring av vätsketrycket utlöser den origami-liknande strukturen att veckla ut eller kollapsa längs en förkonfigurerad geometrisk väg, vilket inducerar en formförskjutning i hela SKUMMET, låta den greppa eller släppa föremål eller utföra andra typer av arbete.

"I princip, vi undersökte användningen av FOAM som kolvar i en stel kammare, "sa Li." Genom att använda ett flexibelt membran som är bundet till en komprimerbar skelettstruktur inuti, och ansluta den till en av de två vätskeportarna, vi kan skapa ett separat vätskefack som uppvisar en kolvs funktionalitet. "

Forskarna visade att en ökning av drivtrycket i den andra vätskebehållaren som omger membranet i kammaren ökar spänningskrafterna i membranmaterialet som överförs direkt till den bundna skelettstrukturen. Genom att fysiskt länka skelettet med ett manöverelement som når ut ur kammaren, kompression av skelettet kopplas till en mekanisk rörelse utanför kolven.

"Bättre kolvar kan i grunden förändra vårt sätt att designa och använda många typer av system, från stötdämpare och bilmotorer till bulldozers och gruvutrustning, säger Rus, Andrew (1956) och Erna Viterbi professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT. "Vi tror att ett sådant tillvägagångssätt kan hjälpa ingenjörer att utforma olika sätt att göra sina skapelser starkare och mer energieffektiva."

Teamet testade sin kolv mot en konventionell kolv i en objektkrossande uppgift, och visade att det bröt föremål som träpennor vid mycket lägre ingångstryck (tryck som genereras i det hudomgivande vätskefacket). Vid samma ingångstryck, särskilt i det lägre tryckområdet, spänningskolvarna utvecklade mer än tre gånger större uteffekter och visar mer än 40 procent högre energieffektivitet genom att utnyttja den vätskeinducerade spänningen i deras flexibla hudmaterial.

"Genom att konfigurera de komprimerbara skeletten med mycket olika geometrier, till exempel en serie diskreta skivor, som gångjärnsskelett, eller som fjäderskelett, utgångskrafterna och rörelserna blir mycket avstämbara, "sa Li." Vi kan till och med integrera mer än en spänningskolv i en enda kammare, eller gå ett steg längre och tillverka också den omgivande kammaren med ett flexibelt material som ett lufttätt nylontyg. "