Строго говоря, сложные биологические организмы, такие как люди, имеют высокоинтегрированные системы, которые позволяют им функционировать. Люди накапливают необходимую энергию в жировых запасах, которые распределены по всему телу. Чтобы обеспечить бесперебойную работу, сложная сердечно-сосудистая система обеспечивает кислородом и питательными веществами миллиарды живых клеток.
С бесплатным, без проводного робота ситуация совсем иная. Области здесь, как правило, гораздо более сегментированы: ему нужна прочная жесткая батарея для питания в одной точке, двигатели и исполнительные механизмы расположены в другой точке, некоторые из которых все еще требуют своих собственных систем охлаждения и других компонентов. Все эти компоненты распределены по всему корпусу робота. В частности, источник питания часто является головной болью: он значительно увеличивает вес, его жесткий блок значительно ограничивает гибкость, а время работы обычно очень ограничено.
Картинная галерея
Высокоинтегрированная система, основанная на естественном кровообращении
Исследователи из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, и Пенсильванского университета в Филадельфии теперь представили возможное решение этой проблемы: ваш беспроводной лев, смоделированный на крылатке, создал синтетическую сосудистую систему, способную производить энергичную. Прокачайте гидравлическую жидкость через корпус. Электрохимические процессы работают по принципу батареи окислительно-восстановительного потока, которая обеспечивает электропитание. В гидравлической интегрированной системе, основанной на биологической сердечно-сосудистой системе, не только запасается энергия и передается мощность, но и работают конечности, необходимые для передвижения.
«В природе мы видим, как долго организмы могут работать даже в сложных условиях. Роботы не могут работать подобным образом очень долго, - говорит Роб Шеперд, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Корнелле. - Наш подход, основанный на биологии, может значительно увеличить плотность энергии системы, позволяя мягким роботам оставаться мобильными гораздо дольше. »Шеперд - директор Лаборатории органической робототехники в Корнелльском университете и старший автор соответствующего исследования, которое исследователи опубликовали в журнале Nature.
Вместо клеток крови прокачиваются католиты
В настоящее время инженеры в основном используют литий-ионные аккумуляторы в качестве источника питания для мобильных устройств, поскольку они имеют относительно высокую плотность энергии. Но жесткие батареи ограничивают гибкость устройств и возможные конструкции. Поэтому исследователи все больше изучают потенциал так называемых батарей окислительно-восстановительного потока. Они основаны на твердом аноде и хорошо растворимом католите. Растворенные компоненты накапливают энергию до тех пор, пока они не будут выделены в результате химической реакции восстановления и окисления, которая также называется окислительно-восстановительной реакцией.
У исследователей была идея использовать концепцию окислительно-восстановительного потока в так называемом мягком роботе. Такой робот сделан из силикона и в основном приводится в движение гидравликой через жидкости, которые прокачиваются через его корпус. Эту же жидкость можно использовать не только для привода, но и для накопления энергии.
Идея была протестирована на робо-рыбе длиной около 40 см, изготовленной из силикона, которая была смоделирована на крылатке. Такие крылатки используют плавные, веерообразные плавники, с помощью которых они могут скользить по коралловым рифам. Софтробот снаружи имеет силиконовую оболочку, внутренняя часть в основном состоит из гибких электродов и мембраны для разделения ионов, что придает ему высокую степень гибкости. Единственными жесткими компонентами являются плата Arduino с микроконтроллером и возможностью подключения Bluetooth, а также два насоса для гидравлики для управления ребрами. Взаимосвязанные проточно-цинковые батареи снабжают энергией электрохимические реакции бортовых насосов и электроники. По словам исследователей, они достигли плотности энергии Γ ≈ 322 Вт / ч-1, что соответствует приблизительно половине литий-ионной батареи, установленной в модели S Тесла (Γ = 676 Вт · ч -1).
Робот плавает с энергией, которая передается элементам плавника, накачивая батарею окислительно-восстановительного потока. Прототип, разработанный для исследования, дал достаточно энергии, чтобы рыба-робо могла плыть против течения более 36 часов. Чтобы компенсировать часто критикуемые низкие плотности мощности и рабочие напряжения батарей с окислительно-восстановительным потоком, исследователи подключили несколько батарейных элементов последовательно и оптимизировали плотность мощности, распределяя электроды по всей площади ребер.
По словам Шепарда, концепция открывает новые возможности в исследованиях и в подводном использовании роботов. Использование мягких роботов особенно полезно под водой, поскольку они могут извлечь выгоду из плавучести и не требуют экзоскелета или эндоскелета для поддержания своей структуры. Разрабатывая источники энергии, позволяющие роботам функционировать в течение продолжительных периодов времени, Шепард считает, что автономные роботы могут вскоре бродить по океанам Земли в важных научных миссиях и для чувствительных экологических задач, таких как отбор проб коралловых рифов.
Эта статья впервые появилась на портале нашего родственного бренда ELEKTRONIKPRAXIS.