Precis när det verkade som att robotar inte kunde bli svalare, Cornell -forskare har skapat en mjuk robotmuskel som kan reglera dess temperatur genom svettning.

Denna form av termisk hantering är en grundläggande byggsten för att möjliggöra obundna, kraftfulla robotar för att fungera under lång tid utan överhettning, enligt Rob Shepherd, docent i maskin- och rymdteknik, som ledde projektet.

Lagets papper, "Autonomisk svettning i 3D-tryckta hydrogelaktuatorer, "publicerad 29 januari Science Robotics .

Ett av hindren för att hålla ut, anpassningsbara och smidiga robotar hanterar robotarnas inre temperatur, enligt Shepherd, tidningens författare. Om motorerna med hög vridmoment densitet och exotermiska motorer som driver en robot överhettas, roboten kommer att sluta fungera.

Detta är en särskild fråga för mjuka robotar, som är tillverkade av syntetmaterial. Även om det är mer flexibelt, de håller värmen, till skillnad från metaller, som snabbt avger värme. En intern kylteknik, som en fläkt, kanske inte är till stor hjälp eftersom det skulle ta upp plats inuti roboten och lägga till vikt.

Så Shepherds team tog inspiration från det naturliga kylsystemet som finns hos däggdjur:svettning.

"Svettförmågan är en av de mest anmärkningsvärda egenskaperna hos människor, "sa författarförfattaren T.J. Wallin, FRÖKEN. '16, Ph.D. '18, forskare på Facebook Reality Labs. "Svettning drar fördel av förångat vattenförlust för att snabbt avleda värme och kan svalna under omgivningstemperaturen. ... Så som ofta är fallet, biologi gav oss en utmärkt vägledning som ingenjörer. "

Shepherds team samarbetade med labbet av Emmanuel Giannelis, Walter R. Läs professor i teknik, att skapa nödvändiga nanopolymermaterial för svettning via en 3D-tryckteknik som kallas multimateriell stereolitografi, som använder ljus för att härda harts till fördesignade former.

"Vårt bidrag är att tillverka blandningar av nanopartiklar och polymera material som i princip tillåter oss att kontrollera viskositeten, eller flöde, av dessa vätskor, "sa Giannelis, även Cornells vice provost för forskning och vice president för tekniköverföring, immaterialrätt och forskningspolitik.

Forskarna tillverkade fingerliknande ställdon bestående av två hydrogelmaterial som kan behålla vatten och svara på temperaturen - i själva verket "smarta" svampar. Baslagret, tillverkad av poly-N-isopropylakrylamid, reagerar på temperaturer över 30 C (86 F) genom att krympa, som pressar upp vatten till ett översta lager av polyakrylamid som är perforerat med porer i mikronstorlek. Dessa porer är känsliga för samma temperaturintervall och vidgas automatiskt för att släppa "svett, "stäng sedan när temperaturen sjunker under 30 C.

Avdunstningen av detta vatten minskar ställdonets yttemperatur med 21 C inom 30 sekunder, en kylprocess som är ungefär tre gånger effektivare än hos människor, fann forskarna. Ställdonen kan svalna ungefär sex gånger snabbare när de utsätts för vind från en fläkt.

"Den bästa delen av denna syntetiska strategi är att den termiska regleringsprestandan är baserad i själva materialet, "sa Wallin." Vi behövde inte ha sensorer eller andra komponenter för att kontrollera svettningshastigheten. När den lokala temperaturen steg över övergången, porerna skulle helt enkelt öppna och stänga på egen hand. "

Teamet införlivade ställdonets fingrar i en robothand som kunde ta tag i och lyfta föremål, och de insåg att autonom svettning inte bara kylde handen, men sänkte även objektets temperatur. Medan smörjningen kan göra en robot hand hal, Shepherd säger att modifieringar av hydrogelstrukturen kan kompensera genom att förbättra handens grepp, ungefär som rynkor i huden.

En nackdel med tekniken är att den kan hindra en robots rörlighet. Det är också nödvändigt för robotarna att fylla på sin vattenförsörjning, vilket har lett Shepherd att tänka sig mjuka robotar som en dag inte bara kommer att svettas som däggdjur, men drick som dem, för.

Robotens förmåga att utsöndra vätskor kan också leda till metoder för att absorbera näringsämnen, katalyserande reaktioner, ta bort föroreningar och belägga robotens yta med ett skyddande lager, forskarna skrev.

"Jag tror att framtiden för att göra dessa mer biologiskt analoga material och robotar kommer att förlita sig på materialkompositionen, "Sa Shepherd." Detta ger en poäng [om vikten av] multidisciplinär forskning på detta område, där egentligen ingen grupp har alla svar. "

Andra bidragsgivare inkluderade postdoktor och medförfattare Anand Mishra; postdoktor Wenyang Pan; doktorand Patricia Xu; och Barbara Mazzolai från Italian Institute of Technology Center for Micro-BioRobotics.