Stacked electrohydrodynamic pumps with densely perforated electrodes
Questo studio presenta una pompa elettroidrodinamica leggera e impilabile con elettrodi densamente perforati che raggiunge una densità di potenza record di 55,0 W/kg e prestazioni di flusso e pressione significativamente migliorate, dimostrando la sua efficacia nel pilotare sistemi robotici soft.
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Immaginate un mondo in cui le macchine non si muovono con motori, ingranaggi o batterie, ma con la silenziosa spinta dell'elettricità attraverso un liquido. Questo è il regno dell'elettroidrodinamica, un campo in cui gli scienziati utilizzano l'elettricità ad alta tensione per agitare i fluidi e creare movimento. In una configurazione standard, due elettrodi sono posizionati all'interno di un liquido non conduttivo. Quando viene applicato un forte campo elettrico, questo strappa elettroni da alcune molecole del fluido, conferendo loro una carica positiva. Queste molecole cariche vengono poi attratte verso l'elettrodo negativo. Mentre corrono attraverso lo spazio, trascinano con sé il fluido neutro circostante, creando un flusso costante. Questo processo offre un vantaggio unico per la robotica: non richiede parti meccaniche in movimento, rendendo le pompe risultanti silenziose, incredibilmente sottili e facili da scalare verso dimensioni minuscole. Per decenni, i ricercatori hanno cercato di rendere queste pompe abbastanza potenti da azionare robot morbidi e flessibili in grado di imitare i movimenti delicati delle creature viventi, ma aumentare la loro forza senza aggiungere ingombro è rimasto una sfida ostinata.
Un team di ricercatori dell'Università delle Comunicazioni Elettroniche in Giappone, lavorando insieme agli ingegneri della Mitsubishi Chemical, ha ora compiuto un passo significativo in avanti ridisegnando il cuore stesso di queste pompe. Invece di affidarsi a un singolo strato di elettrodi, hanno sviluppato un metodo per impilare più strati come un mazzo di carte, creando una pompa che è sia leggera che straordinariamente potente. La loro innovazione risiede nel modo in cui hanno costruito gli strati. Invece di costruire gli elettrodi e il materiale isolante come pezzi separati e cercare di allinearli, hanno inciso gli elettrodi direttamente su entrambi i lati di un singolo foglio sottile di materiale isolante, molto simile ai circuiti stampati che si trovano nell'elettronica di uso quotidiano. Hanno poi praticato migliaia di piccoli fori attraverso l'intero "sandwich". Questo design "densamente perforato" permette al campo elettrico di agire sul fluido ai bordi di ogni singolo foro simultaneamente, moltiplicando la forza generata in uno spazio molto piccolo.
I ricercatori hanno testato il loro nuovo design costruendo pompe con diversi numeri di strati, diverse dimensioni dei fori e diverse densità di fori. Hanno scoperto che semplicemente impilando più strati, la pompa spinge con più forza, con la pressione che aumenta quasi in proporzione diretta al numero di strati aggiunti. Allo stesso tempo, rendere i fori più grandi permette a una maggiore quantità di fluido di passare, aumentando la velocità del flusso. Bilanciando attentamente questi fattori, hanno creato una pompa a cinque strati che pesava solo 0,64 grammi, ma poteva muovere una quantità enorme di fluido per le sue dimensioni. Questo minuscolo dispositivo ha raggiunto una portata massima di 2041,0 millilitri al minuto e poteva generare una pressione di 9,3 kilopascal. Forse ancora più impressionante, quando misurata in base al lavoro che poteva compiere rispetto al proprio peso, la pompa ha fornito una densità di potenza di 55,0 watt per chilogrammo. Questa cifra rappresenta un miglioramento di oltre novanta volte rispetto alle pompe precedenti di tipo simile, risolvendo efficacementmente il problema di lungo corso di ottenere prestazioni elevate da un dispositivo a stato solido e leggero.
Per dimostrare che questa tecnologia è pronta per un uso nel mondo reale, il team ha collegato la nuova pompa a dispositivi robotici morbidi. Hanno riempito la pompa e due diversi tipi di attuatori con lo stesso fluido dielettrico. Quando applicavano la tensione, la pompa spingeva il fluido negli attuatori, causandone il movimento. In un test, la pompa ha fatto contrarre con successo un muscolo artificiale fatto di silicone e tessuto, generando forza sufficiente per sollevare piccoli pesi. In un altro, ha piegato un braccio morbido e pieno di fluido. Infine, combinando due di questi bracci flessibili in una semplice pinza, il sistema è stato in grado di raccogliere e tenere piccoli oggetti sferici e cubici. Queste dimostrazioni hanno mostrato che la pompa non è solo una curiosità di laboratorio, ma una fonte di energia versatile capace di azionare macchine flessibili e complesse. I ricercatori hanno osservato che, sebbene la pompa sia stabile durante ore di funzionamento, il lavoro futuro si concentrerà nel renderla ancora più reattiva testando diversi fluidi e perfezionando la spaziatura tra gli strati impilati. Per ora, tuttavia, questo nuovo design a strati offre una chiara strada verso la costruzione di robot morbidi che siano silenziosi, efficienti e potenti come la natura ha inteso che fossero.
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