Ganze Geschichte
Das heißeste Getränk des Sommers ist wahrscheinlich die SEAS-Colada. Folgendes brauchen Sie, um sie zuzubereiten: Gin, Ananassaft, Kokosmilch und eine weiche Schlauchpumpe auf Basis eines dielektrischen Elastomeraktuators. Leider ist die letzte Komponente nur im Labor von Robert Wood zu finden, dem Harry Lewis und Marlyn McGrath Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Zumindest für jetzt.
Wood und sein Team haben die Pumpe entwickelt, um eine große Herausforderung in der Softrobotik zu lösen: den Ersatz traditionell sperriger und starrer Antriebskomponenten durch weiche Alternativen.
In den letzten Jahren hat Woods Mikrorobotiklabor am SEAS weiche Analoga traditionell starrer Roboterkomponenten entwickelt, darunter Ventile und Sensoren. In flüssigkeitsbetriebenen Robotersystemen steuern Pumpen den Druck oder den Durchfluss der Flüssigkeit, die die Bewegung des Roboters antreibt. Die meisten heute für weiche Roboter verfügbaren Pumpen sind entweder zu groß und starr, um an Bord zu passen, nicht leistungsstark genug für die Betätigung oder funktionieren nur mit bestimmten Flüssigkeiten.
Woods Team entwickelte eine kompakte, weiche Pumpe mit einstellbarem Druckfluss, die vielseitig genug ist, um eine Vielzahl von Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität zu pumpen, darunter Gin, Saft und Kokosmilch, und leistungsstark genug, um weiche haptische Geräte und einen weichen Roboterfinger anzutreiben.
Die Größe, Leistung und Vielseitigkeit der Pumpe eröffnen zahlreiche Möglichkeiten für Softroboter in zahlreichen Anwendungsbereichen, darunter Lebensmittelverarbeitung, Fertigung und biomedizinische Therapie.
Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in Science Robotics veröffentlicht.
Schlauchpumpen werden in der Industrie häufig verwendet. Diese einfachen Maschinen verwenden Motoren, um einen flexiblen Schlauch zusammenzudrücken, wodurch ein Druckunterschied entsteht, der Flüssigkeit durch den Schlauch drückt. Diese Pumpentypen sind besonders in biomedizinischen Anwendungen nützlich, da die Flüssigkeit keine Komponenten der Pumpe selbst berührt.
„Schlauchpumpen können Flüssigkeiten mit einer großen Bandbreite an Viskositäten, Partikel-Flüssigkeits-Suspensionen oder Flüssigkeiten wie Blut fördern, die für andere Pumpentypen eine Herausforderung darstellen“, sagte Erstautor Siyi Xu, ein ehemaliger Doktorand am SEAS und derzeit Postdoktorand in Woods Labor.
Aufbauend auf früheren Forschungsarbeiten entwickelten Xu und sein Team elektrisch betriebene dielektrische Elastomer-Aktuatoren (DEAs), die als Motor und Rollen der Pumpe fungieren. Diese weichen Aktuatoren haben eine ultrahohe Leistungsdichte, sind leicht und können Hunderttausende von Zyklen durchlaufen.
Das Team entwickelte eine Reihe von DEAs, die miteinander koordiniert sind und in einer programmierten Abfolge einen millimetergroßen Kanal komprimieren, um Druckwellen zu erzeugen.
Das Ergebnis ist eine zentimetergroße Pumpe, die klein genug ist, um an Bord eines kleinen Softroboters zu passen, und leistungsstark genug, um Bewegungen auszulösen, mit steuerbarem Druck, Durchflussrate und Durchflussrichtung.
„Wir haben auch gezeigt, dass wir den Ausgang aktiv von kontinuierlichem Fluss auf Tröpfchen einstellen können, indem wir die Eingangsspannungen und den Auslasswiderstand variieren, in unserem Fall den Durchmesser der stumpfen Nadel“, sagte Xu. „Diese Fähigkeit könnte dazu führen, dass die Pumpe nicht nur für die Robotik, sondern auch für mikrofluidische Anwendungen nützlich ist.“
„Die meisten Softroboter enthalten irgendwo entlang ihres Antriebsstrangs starre Komponenten“, sagte Wood. „Dieses Thema begann mit dem Versuch, eines dieser Schlüsselteile, die Pumpe, durch eine weiche Alternative zu ersetzen. Doch im Laufe der Zeit wurde uns klar, dass kompakte Softpumpen weitaus nützlicher sein könnten, beispielsweise in biomedizinischen Umgebungen für die Verabreichung von Medikamenten oder implantierbaren therapeutischen Geräten.“
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