Jarenlang was het probleem met zachte robotica dat veel ervan een soort pomp nodig had die tot nu toe alleen beschikbaar was in meer conventionele, niet-draagbare vormen. Sensoren, actuatoren en apparaten voor energieopslag en -opwekking zijn allemaal ontwikkeld in de vorm van zachte vezels die naadloos in kleding kunnen worden geweven. De zachte pumps die zijn ontwikkeld, missen echter de vloeistofkracht om ze echt bruikbaar te maken, en zijn niet gemaakt als vezels.

Rapporteren van hun bevindingen in Wetenschap, Michael Smith, Vito Cacucciolo en Herbert Schea aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland hebben een zachte hydraulische pomp ontwikkeld die niet alleen het voorheen bereikte vloeistofvermogen met een factor tien verslaat, maar ook de vorm van een vezel aanneemt.

"Hydraulische bediening is interessant omdat het zacht en meegaand is en je het op het lichaam kunt aanbrengen", zegt Shea. Hij en zijn collega's waren grotendeels gemotiveerd door langetermijndoelen om een ​​zacht, comfortabel exoskelet te ontwikkelen dat iemand bijvoorbeeld kon dragen voor revalidatie of krachtondersteuning, of om iemand met beperkte mobiliteit in staat te stellen te lopen.

De vezelpomp werkt op basis van elektrohydrodynamica, een principe dat hij deelt met a rekbare pomp dat demonstreerde de groep van Shea in 2019. Terwijl die pomp elektroden had die elkaar afwisselden langs de binnenkant van een met vloeistof gevuld kanaal als verstrengelde vingers, bevat de vezelpomp positieve en negatieve elektroden die rond de binnenkant van een met vloeistof gevulde buis zijn gewikkeld. Het potentiaalverschil tussen de elektroden ioniseert moleculen in de vloeistof en versnelt ze door de buis. Terwijl omliggende moleculen in de buurt komen van de geïoniseerde moleculen, verschuift de vloeistof omhoog door de buis en genereert druk.

Het mechanisme van de pomp is gebaseerd op het feit dat de elektroden op hun plaats worden gehouden aan de binnenkant van de buis, zodat er direct contact is tussen de elektroden en de vloeistof, zodat ze er lading in kunnen injecteren. Hoewel uitdagend, vonden de onderzoekers een mooie route naar de vereiste geometrie door het buismateriaal en de elektroden samen rond een doorn te draaien.

"Elke maatstaf die je maar kunt bedenken om een ​​pomp te meten, wordt beter als je er een vezel van maakt met een factor van minstens 10", zegt Smith, die de geometrie van de wikkeling ontwikkelde, daarbij verwijzend naar verbeteringen in druk, stroomsnelheid, efficiëntie en kracht. Dit is grotendeels te danken aan het continue pompen langs de buis die de spiraalvormige structuur geeft, wat leidt tot een soepelere vloeistofstroom, legt Shea uit.

De cilindrische symmetrie verlaagt ook de vloeistofimpedantie, terwijl de draden ook een meer ioniserende veldverdeling kunnen bieden dan platte elektroden. De sprong in vloeistofkracht die door het apparaat werd geleverd, kwam als een welkome verrassing voor de onderzoekers, omdat - zoals Smith opmerkt - de pomp erg moeilijk nauwkeurig te simuleren is vanwege alle "gekoppelde fysica" die erbij betrokken is.

Een haptische sensatie

De pomp is nog ver verwijderd van de efficiëntie die nodig is voor een zacht exoskelet, maar de onderzoekers hebben aangetoond hoe effectief het kan zijn voor het opwekken van haptische stimuli - het gevoel een object aan te raken. Het zoemende gevoel van typen op een touchscreen is een alledaags voorbeeld van tactiele haptiek, maar, zoals Shea opmerkt, "veel van hoe we de wereld waarnemen, is eigenlijk thermische geleidbaarheid." In een virtuele wereld kan het recreëren van deze thermische ervaringen het gevoel van onderdompeling verbeteren, maar het was moeilijk te implementeren. De vezelpompen kunnen lokaal gekoelde vloeistof circuleren, waardoor lokale thermische haptische prikkels worden gecreëerd zonder dat er een enorm scala aan afzonderlijke pompen en kleppen nodig is.

juni Zou is een professor aan het State Key Lab of Fluid Power and Mechatronic Systems in China, die ook aan zachte pompen heeft gewerkt. Hoewel hij niet betrokken is bij dit onderzoek, beschrijft hij het als "een effectieve integratie van bediening en hechtbaarheid voor draagbare toepassingen".

Andreas Conn, een expert in zachte robotica aan de Universiteit van Bristol in het VK, die ook niet betrokken was, beschrijft het werk als "een opwindende stap" naar comfortabele draagbare technologieën voor fysieke ondersteuning en thermische regulatie. Hij benadrukt de eenvoudige fabricagemethode, die de lengte van de geproduceerde vezelpomp kan vergroten. "Dit zou moeten helpen om deze technologie veel sneller uit het laboratorium te vertalen naar praktische draagbare toepassingen", voegt hij eraan toe, hoewel hij er ook op wijst dat de grote elektrische velden en gespecialiseerde gepompte vloeistof beperkingen van het huidige ontwerp kunnen zijn.

Textielkliniek: rekbare stoffen op maat gemaakt met elektroden van koolstofnanobuisjes bewaken het hart

“We werken wel op hoogspanning, maar het stroomverbruik van de pompen is heel bescheiden”, reageert Smith. Hij voegt eraan toe dat de vezelpompen op batterijen kunnen werken en een stroom voeren die ver onder de veiligheidsdrempels voor menselijke interactie ligt.

De onderzoekers hebben aangetoond dat de vezelpompen de druk kunnen uitoefenen die nodig is om kunstmatige spieren te activeren, thermische haptische prikkels in handschoenen weer te geven en actief verkoelende kledingstukken te creëren. In de toekomst hopen ze de selectie van vloeistoffen die ze gebruiken te verbreden, maar ze kijken nu vooral naar manieren om de efficiëntie van de vezelpompen te verbeteren, ze langer te maken en ze te verweven met andere actieve vezels zoals sensoren en actuatoren, om misschien op een dag een zacht en comfortabel exoskelet produceren.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/researchers-develop-the-missing-component-in-robotic-textiles/