Kasta en baseboll, och man kan säga att allt sitter i handleden.

För robotar, det är allt i växlarna.

Kugghjul är avgörande för precisionsrobotik. De tillåter lemmar att vrida sig smidigt och stanna på kommando; Kugghjul av låg kvalitet får armar och ben att rycka eller skaka. Om du designar en robot för att ta prover eller greppa en avsats, den typ av redskap du behöver kommer inte från en järnaffär.

Vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, teknologen Douglas Hofmann och hans medarbetare bygger en bättre utrustning. Hofmann är huvudförfattare till två nya artiklar om kugghjul tillverkade av bulkmetalliskt glas (BMG), en specialtillverkad legering med egenskaper som gör den idealisk för robotteknik.

"Även om BMG har utforskats under lång tid, att förstå hur man designar och implementerar dem i strukturell hårdvara har visat sig svårfångat, " sa Hofmann. "Vårt team av forskare och ingenjörer vid JPL, i samarbete med grupper på Caltech och UC San Diego, har äntligen satt BMGs genom de nödvändiga testerna för att visa deras potentiella fördelar för NASAs rymdfarkoster. Dessa material kanske kan erbjuda oss lösningar för mobilitet i tuffa miljöer, som på Jupiters måne Europa."

Recept på den perfekta utrustningen

Hur kan detta mystiska material vara både en metall och ett glas? Hemligheten ligger i dess atomära struktur. Metaller har en organiserad, kristallint arrangemang. Men om du värmer upp dem till en vätska, de smälter och atomerna blir randomiserade. Kyl dem tillräckligt snabbt — cirka 1, 832 grader Fahrenheit (1, 000 grader Celsius) per sekund — och du kan fånga deras icke-kristallina, "flytande" form på plats.

Detta ger ett slumpmässigt arrangemang av atomer med en amorf, eller icke-kristallin mikrostruktur. Den strukturen ger dessa material deras vanliga namn:"amorfa metaller, " eller metalliskt glas.

Genom att kylas så snabbt, materialet är tekniskt sett ett glas. Den kan flyta lätt och formas när den värms upp, precis som fönsterglas. När detta glasartade material produceras i delar som är större än cirka fyra tiondels tum (1 millimeter), det kallas "bulk" metalliskt glas, eller BMG.

Metallglasögon utvecklades ursprungligen på Caltech i Pasadena, Kalifornien, 1960. Sedan dess har de har använts för att tillverka allt från mobiltelefoner till golfklubbor.

Vad gör dessa växlar perfekta för rymden?

Bland deras attraktiva egenskaper, BMG har låga smälttemperaturer. Det gör att delar kan gjutas med hjälp av formsprutningsteknik, liknande det som används i plastindustrin, men med mycket högre hållfasthet och slitstyrka. BMG:er blir inte heller spröda i extrem kyla, en faktor som kan leda till att ett redskaps tänder spricker. Denna sista kvalitet gör materialet särskilt användbart för den typ av robotik som görs på JPL.

Hofmann sa att växlar tillverkade av BMG kan "köra kallt och torrt":initiala tester har visat starkt vridmoment och mjuk vridning utan smörjmedel, även vid -328 grader Fahrenheit (-200 grader Celsius). För robotar som skickas till frusna landskap, det kan vara en energibesparande fördel. NASA:s Mars Curiosity rover, till exempel, förbrukar energi på att värma upp fettsmörjmedel varje gång den behöver flytta.

"Att kunna använda växlar vid den låga temperaturen av isiga månar, som Europa, är en potentiell game changer för forskare, " sade R. Peter Dillon, en teknolog och programledare i JPL:s materialutvecklings- och tillverkningsteknikgrupp. "Ström behöver inte längre tas bort från de vetenskapliga instrumenten för att värma växellådans smörjmedel, som bevarar värdefull batterikraft."

Kugghjul som svänger smidigt samtidigt som kostnaderna minskar

Den andra uppsatsen ledd av Hofmann tittade på hur BMGs kunde sänka kostnaderna för tillverkning av spänningsvågväxlar. Denna typ av redskap, som inkluderar en metallring som böjer sig när kugghjulet snurrar, är knepigt att massproducera och är allestädes närvarande i dyra robotar.

Inte bara kan BMG:er tillåta dessa växlar att fungera vid låga temperaturer, men de kan också tillverkas till en bråkdel av kostnaden för deras stålversioner utan att ge avkall på prestanda. Detta är potentiellt spelförändrande för att minska kostnaderna för robotar som använder spänningsvågväxlar, eftersom de ofta är deras dyraste del.

"Massproducerande töjningsvågväxlar med BMG kan ha en stor inverkan på konsumentrobotmarknaden, ", sa Hofmann. "Detta gäller särskilt för humanoida robotar, där växlar i lederna kan vara mycket dyra men krävs för att förhindra skakande armar. Prestandan vid låga temperaturer för JPL-rymdfarkoster och rovers verkar vara en glad extra fördel."

Tidningen publicerad av Avancerat tekniskt material tittat på att designa och testa BMG-växlar för planetväxellådor. Det inkluderade medarbetare vid Caltech och UC San Diego. Tidningen publicerad i Vetenskapliga rapporter undersöker hur BMG kan användas för att minska kostnaden för töjningsvågväxlar. Det inkluderade också Caltech-samarbetspartners.

Bulk Metallic Glass Gears-projektet finansieras av NASA:s Space Technology Mission Directorate's Game Changing Development Program, som undersöker idéer och tillvägagångssätt som kan lösa betydande tekniska problem och revolutionera framtida rymdprojekt.