EO

Minuscule RoBeetle zet vloeibaar methanol om in spierkracht (video)

25 augustus 2020 om 11:18 uur

Zonder batterijen of elektronica kan dit autonome robotinsect van 88 milligram urenlang lopen. Foto: Science Robotics

RoBeetle is een 88 milligram wegende vierpotige robot die volledig draait op methanol. Zonder enige elektronica gebruikt het een buitengewoon slim stukje mechanische autonomie om methanoldamp direct om te zetten in voorwaartse beweging, stap voor millimeter.


De uitvinders van de University of Southern California in Los Angeles (USA) presenteren de bot in Science Robotics.

 

Een van de belangrijkste beperkingen voor robots is kracht. De meeste robots hebben er veel van nodig, en het moet ergens vandaan komen, waarbij dat ergens meestal een batterij is, omdat er simpelweg niet veel andere goede opties zijn. Batterijen staan er echter om bekend dat ze een lage energiedichtheid hebben, en hoe kleiner de robot is, hoe groter dit probleem wordt. En het probleem met batterijen gaat verder dan de batterij zelf, maar gaat ook over in alle andere componenten die nodig zijn om de opgeslagen energie om te zetten in nuttig werk, wat opnieuw een specifiek probleem is voor kleinschalige robots.

 

Het lichaam van RoBeetle is een brandstoftank die je kunt vullen met methanol door een spuit door een brandstofinlaatopening te steken. Het is een viervoeter met vaste achterpoten en twee voorpoten die zijn vastgemaakt aan een enkele overbrenging die ze allebei tegelijk beweegt in een soort van heen en weer schommelen, gevolgd door een achterwaartse en neerwaartse beweging. De transmissie is aangesloten op een bladveer die is gespannen om de poten altijd naar achteren te trekken, zodat wanneer de robot niet wordt bediend, de veer en de transmissie de voorpoten min of meer verticaal houden en de robot laten staan. Die hoorns zijn er in de eerste plaats om de bladveer op zijn plaats te houden, maar ze hebben ook kleine haken die ook spullen kunnen dragen.

 

Minuscule RoBeetle verandert vloeibaar methanol in spierkrachtRoBeetle (A) maakt gebruik van een op methanol gebaseerd aandrijfmechanisme (B). Het lichaam van de robot (C) omvat de brandstoftank (D), een tankdeksel, transmissie en schuifklep (E), onderkant van de schuifklep (F), nikkel-titanium-platina composietdraad en bladveer (G ), en voorpoten en achterpoten met biogeïnspireerde, achterwaarts gerichte klauwen (H).

 

De actuator is een nikkel-titanium (NiTi) vormgeheugenlegering (SMA): een draad die langer wordt als hij opwarmt en vervolgens weer krimpt als hij afkoelt. Het bijzondere is dat hij slordig is bedekt met platina. Het 'rommelige' aspect is belangrijk om een reden die we zo dadelijk zullen behandelen.

 

Het ene SMA-uiteinde is bevestigd aan het midden van de bladveer, terwijl het andere uiteinde boven de achterkant van de robot uitloopt, waar het wordt geniet aan een ankerblok aan de achterkant van de robot. Met de SMA-draad aangesloten maar niet geactiveerd (d.w.z. koud in plaats van warm), is deze kort genoeg om de bladveer terug te trekken en de benen naar voren en omhoog te wiegen. Het laatste onderdeel is ingebed in de rug van de robot, langs de ruggengraat en direct onder de SMA-actuator. Het is een schuifopening die aan de transmissie is bevestigd, zodat de ventilatieopening open is als de SMA-draad koud is en de bladveer wordt teruggetrokken, en gesloten als de SMA-draad warm is en de bladveer ontspannen. De manier waarop de schuifopening aan de transmissie is bevestigd, is het echt slimme deel van deze robot, omdat het betekent dat de beweging van de draad zelf wordt gebruikt om de brandstofstroom door een puur mechanisch systeem te moduleren. In wezen is het tegelijkertijd een actuator en een sensor.

 

De bedieningscyclus die ervoor zorgt dat de robot loopt, begint met een volle brandstoftank en een koude SMA-draad. Er staat spanning op de bladveer, waardoor de transmissie naar achteren wordt getrokken en de benen naar voren en naar boven worden geschud. De transmissie trekt ook de schuifopening in de open positie, waardoor methanoldamp uit de brandstoftank en in de lucht kan ontsnappen, waar het langs de SMA-draad zweeft die direct boven de ventilatieopening loopt.

 

Het platina vergemakkelijkt een reactie van methanol (CH3OH) met zuurstof in de lucht (verbranding, hoewel niet de dramatisch vlammende en explosieve soort) om een ​​paar watermoleculen en wat kooldioxide plus een hoop warmte te genereren, en dit is waar de rommelige platina-coating belangrijk wordt, omdat rommelig betekent dat er veel oppervlak is voor het platina om te interageren met zoveel mogelijk methanol. In slechts een seconde of twee schiet de temperatuur van de SMA-draad omhoog van 50 naar 100 ºC en zet hij uit, waardoor het blad ongeveer 0,1 mm speling heeft. Terwijl de bladveer ontspant, beweegt de transmissie de benen naar achteren en naar beneden en trekt de robot zichzelf ongeveer 1,2 mm naar voren. Tegelijkertijd sluit de transmissie de schuifopening af, waardoor de toevoer van methanoldamp wordt afgesloten. Zonder dat de damp reageert met het platina en warmte genereert, koelt de SMA-draad in ongeveer anderhalve seconde af. Terwijl hij dat doet, krimpt hij, trekt aan de bladveer en begint de cyclus opnieuw. De topsnelheid is 0,76 mm / s (0,05 lichaamslengtes per seconde).

 

Een interessant milieueffect is dat de snelheid van de robot kan worden verhoogd door een zacht briesje. Dit komt doordat lucht die over de SMA-draad beweegt, deze iets sneller afkoelt, terwijl ook eventuele resterende methanol rond de ventilatieopeningen wordt weggeblazen, waardoor de reactie vollediger wordt gestopt. RoBeetle kan meer dan zijn eigen lichaamsgewicht aan brandstof dragen en het duurt ongeveer 155 minuten voordat een volle tank methanol volledig is verdampt.

 

Het is vermeldenswaard dat dit ondanks de zeer hoge energiedichtheid van methanol eigenlijk een verbazingwekkend inefficiënte manier is om een robot van stroom te voorzien, met een geschatte end-to-end-efficiëntie van slechts 0,48 procent. Let wel, niet 48 procent, maar 0,48 procent, terwijl het over het algemeen veel efficiënter is om SMA's van stroom te voorzien.

 

Je moet echter kijken naar het hele systeem dat nodig zou zijn om die elektriciteit te leveren, en voor een robot zo klein als RoBeetle zeggen de onderzoekers dat het in wezen onmogelijk is. De lichtste in de handel verkrijgbare batterij en voeding die voldoende voeding zou leveren om een SMA-actuator op te warmen, weegt ongeveer 800 mg, bijna 10 keer het totale gewicht van RoBeetle zelf. Vanuit dat perspectief is de efficiëntie van RoBeetle eigenlijk best goed.

 

Minuscule RoBeetle verandert vloeibaar methanol in spierkrachtVergelijking van microrobots en biogeïnspireerde zachte robots die verschillende kracht- en aandrijfstrategieën gebruiken.

 

Er zijn nog andere nadelen aan RoBeetle: hij kan alleen vooruit, niet achteruit, en hij kan niet sturen. De snelheid is niet instelbaar en als hij eenmaal begint te lopen, loopt hij totdat hij breekt of zonder brandstof komt te zitten. De onderzoekers wijzen erop dat het verhogen van de snelheid van brandstoftoevoer door het gebruik van vloeibare brandstoffen onder druk, zoals butaan of propaan, de uitgangsfrequentie van de actuator zou verhogen. En de frequentie, amplitude en efficiëntie van de SMA's zelf kunnen enorm worden verhoogd "door meerdere vezelachtige dunne kunstmatige spieren in hiërarchische configuraties te rangschikken die vergelijkbaar zijn met die welke worden waargenomen in op sarcomeren gebaseerde dierlijke spieren", waardoor RoBeetle nog meer keverachtig wordt.

 

Wat betreft detectie, RoBeetle's laadvermogen van 230 mg is voldoende om passieve sensoren te vervoeren, maar het blijft een uitdaging om die sensoren op een nuttige manier te laten communiceren met de robot zelf om elke vorm van autonomie mogelijk te maken. Mechanische intelligentie is zeker mogelijk. De onderzoekers vermelden ook hoe RoBeetle mogelijk als model zou kunnen dienen voor microbots die in staat zijn tot vliegen.

 

Gerelateerd nieuws

Nieuwe stap in ontwikkeling goedkope, printbare sensoren

Nieuwe stap in ontwikkeling goedkope, printbare sensoren

Onderzoekers van UHasselt, Swansea University en de Universiteit van Dresden hebben stappen gezet in de ontwikkeling van infraroodsensoren uit goedkope, printbare elektronica. “Onze sensoren bestaan uit organische…

Jaguar gebruikt ruimtevaarttechnologie voor ontwikkeling lichtgewicht voertuigen

Jaguar gebruikt ruimtevaarttechnologie voor ontwikkeling lichtgewicht voertuigen

Jaguar Land Rover neemt deel aan een onderzoek naar de geschiktheid van geavanceerde, lichtgewicht metalen en composieten voor toepassing in toekomstige voertuigen. Als onderdeel van een tweejarig project gebruikt het…

Rathenau Manifest: Stel nu 10 ontwerpeisen aan de digitale samenleving van morgen

Rathenau Manifest: Stel nu 10 ontwerpeisen aan de digitale samenleving van morgen

Met de doorbraak van ‘immersieve’ technologieën, zoals augmented reality, virtual reality en spraakcomputers, gaat de digitale samenleving een nieuwe fase in. De fysieke en digitale wereld raken meer dan ooit met…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Veilige Laserscanner PSENscan | Nu ook verticaal te gebruiken

De veiligheids- laserscanner PSENscan is nu ook geschikt voor het beveiligen van de gebieden die verticale toepassingen...

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

2 november 2020, online

Hoppenbrouwers 'Leren & Werken event'

Event over de kansen en opleidingsmogelijkheden binnen het technische installatiebedrijf Hoppenbrouwers.

3 november 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

3, 4, 10, 11 november 2020

5 november 2020, online

EMVT Kennisdag

Toepassers en ontwikkelaars op het gebied van vermogenselektronica en elektromagnetisme delen hun kennis...

Meer agendapunten »