رباتهای کوچک مجهز به سوخت شیمیایی در سال 2023 به دنیا معرفی شدند!!!

به گزارش مکاترونیک نیوز، تحقیقات جدید دانشگاه کرنل از تولید یک ریزمحرک نرم با احتراق سوخت شیمیایی متان، خبر می‌دهد. این مطالعه اخیراً در Science منتشر شده است و جهشی بزرگ برای ساخت رباتهای کوچک در مقیاس حشرات را ارائه می‌کند.

نوآوری میکرو محرک‌ها در سیستم رباتهای کوچک

عملگرها، جزء حیاتی از هر ربات متحرک هستند و بسیاری از توانایی های حرکتی آن را کنترل می‌کنند. به دلیل اندازه کوچک و منابع انرژی با چگالی کم، محرک‌ها یا میکرو محرک‌ها در سیستم رباتهای کوچک استفاده می‌شوند.

اما این رباتها فقط تمایل به تولید نیروهای کوچک دارند که به طور قابل توجهی دامنه حرکتی ربات را محدود می‌کند. اوبین و همکارانش با امید به رفع این مشکل می‌خواستند ببینند که آیا منابع انرژی جایگزین، مانند سوخت‌های شیمیایی و فسیلی می‌توانند  در سیستم رباتهای کوچک راه‌حل بهتری ارائه دهند یا خیر؟ به هر حال، چگالی انرژی مواد قابل احتراق مانند هیدروکربن‌ها از منابع انرژی رایج مانند باتری‌های لیتیوم-یونی فراتر است و می توان به عنوان جایگزین مناسب مطرح شود.

رابرت اف. شپرد، دکتری، نویسنده، دانشیار دانشگاه کرنل:

سوخت‌های شیمیایی چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به سایر منابع انرژی دارند. بنابراین، اگر سوخت رباتها به طور مناسب کنترل شود، می‌تواند منجر به طول عمر عملیات بیشتری در سیستم رباتهای کوچک بشود. علاوه بر این، انرژی دارای پتانسیل انتشار بسیار سریع است که یکی از مهمترین ویژگی‌های این تحقیق است. توان خروجی بالا در محرک‌های نرم و کوچک در مقاله منتشر شده توسط گروه ما بررسی شده است.

ریزمحرک ساخته شده توسط این تیم با وزن تنها 325 میلی گرم، دارای یک محفظه احتراق ساخته شده توسط تکنولوژی چاپ سه بعدی، غشای الاستومری بادی، الکترودها و لوله تزریق سوخت است.

قابل ذکر است، طراحی آن با استفاده از CLIP (تولید رابط مایع مداوم)، چاپگر سه بعدی و رزین در مرحله ساخت به صورت مقرون به صرفه و سریع انجام شد.

برای عملکرد، الکترودها متان موجود در محفظه احتراق را با جرقه ای مشتعل می کنند و غشای الاستومری ریزمحرک را به طور متوسط در عرض 0.55 میلی ثانیه منبسط می کند.

این تیم توضیح می‌دهد که چنین انبساط سریعی که به عنوان «تحرک شبیه پیستون» توصیف می‌شود، می‌تواند برای به حرکت درآوردن حرکات یا پرتاب اجسام استفاده شود. هنگامی که گازهای احتراق از محفظه خارج می شوند، چرخه تکرار می شود.

گزارش شده است که ریزمحرک  که با احتراق نرم به جابجایی 140 درصد دست یافته اند، می‌تواند در فرکانس‌های کمتر از 100 هرتز کار کند و به طرز چشمگیری می تواند نیروهایی بیش از 9.5 نیوتن ایجاد کند.

 

در این تحقیق محققان برای نشان دادن بیشتر کارایی محرک جدید خود و اثبات کاربرد آن در میکروربات ها و سیستم رباتهای کوچک،  از آن برای نیرو دادن به یک ربات حشره مانند چهارپا با اندازه فقط چند سانتی متر استفاده کردند.

یکی از نویسندگان این مطالعه، دانشیار رابرت اف. شپرد، با تعجب خود از موفقیت این ادغام، اظهار داشت: «توانایی هدایت و اجرای چندین راه رفتن، بالا پریدن و حمل بار بسیار فراتر از هدف اولیه ما بود. ما از پروفسور امیر گات برای مدلسازی عالی این فرآیندها تشکر می کنیم.”

این تیم با آزمایش توانایی خود برای تکمیل حرکات پویا، دریافت که این ربات می‌تواند با سرعت بالا بخزد و جهش های عمودی بزرگ یا “پرش” انجام دهد. نه تنها این، بلکه ربات قادر به حمل محموله 22 برابر وزن بدن خود نیز بود.

چنین مجموعه حرکتی متنوعی، به ویژه توانایی آن در جهش، برای روبات‌های خزنده معمولی در ادبیات کنونی نادر است و بر روی پتانسیل‌هایی که ریزمحرک جدید تیم برای طراحی‌های آینده می‌تواند داشته باشد، تأکید می‌کند.

اما این تنها پتانسیل منبع انرژی محرک آن نیست که آن را متمایز می کند: طراحی پرینت سه بعدی آن به آن سهولت ساخت را می دهد که برای سیستم های موجود غیرمعمول است، در حالی که یکپارچگی استاندارد را نیز ارائه می دهد که می تواند به رفع مسیر سفارشی طراحی کمک کندطراحی پرینت سه بعدی آن به آن سهولت ساخت را می دهد که برای سیستم های موجود غیرمعمول است، در حالی که یکپارچگی استاندارد را نیز ارائه می دهد که می تواند به رفع مسیر سفارشی طراحی کمک کند.

سطح نرم میکرو محرک همچنین سطحی از دوام را به آن می دهد که می تواند در برابر حرکات مختلف بدون آسیب رساندن به محیط اطراف مقاومت کند.

اگر میکروربات‌ها بخواهند از سرعت‌ها، قدرت ها و قابلیت هایی استفاده کنند که معمولاً فقط برای سیستم های رباتیک بزرگتر در دسترس هستند، طراحی یک محرک با این ویژگی ها ضروری است. به همین دلیل، پیشرفت Auben و همکارانش در میکرومحرک می‌تواند نحوه کارکرد میکروربات‌ها را نه تنها تغییر دهد، بلکه نحوه رویکرد محققان به کل طراحی آنها را نیز تغییر دهد.

رابرت اف. شپرد، دکتری، نویسنده، دانشیار دانشگاه کرنل:

ما در حال توسعه این روش هستیم، روشی که در آن مقدار بار زیادی که سیستم رباتهای کوچک می تواند حمل کند امکان پذیر است. قرار دادن سوخت و کنترلرها در داخل هواپیما به خوبی در بودجه انرژی و کار است. من حتی بیشتر از ساخت آرایه های بزرگتر از این محرک های کوچک برای نیرو دادن به روبات های بزرگ در مقیاس انسانی هیجان زده هستم. آینده بسیار خوبی برای استفاده از این موتورهای کوچک وجود دارد.

با نگاهی به آینده، جالب است که ببینیم ریزمحرک تیم با طراحی‌های جایگزین ربات و حرکت طولانی‌مدت چگونه عمل می‌کند. اگر کاربرد آن بتواند با موفقیت میزبان فعلی الهام گرفته از حشرات مطابقت داشته باشد، می تواند نحوه استفاده ما از ربات های کوچک را متحول کند.

این پروژه تحقیقاتی از نیروی هوایی ایالات متحده، نیروی دریایی ایالات متحده و NSF حمایت مالی دریافت کرد.

نام خبرنگار: سمیه آموت سر

منبع خبر :

Aubin, C.A., et al., (2023). Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots, Science., 381, 6633. Available at: https://doi.org/10.1126/science.adk0522