Stacked electrohydrodynamic pumps with densely perforated electrodes
Deze studie presenteert een lichtgewicht, stapelbare elektrohydrodynamische pomp met dicht geperforeerde elektroden die een recordbrekende vermogensdichtheid van 55,0 W/kg bereikt en een significant verbeterde doorstroom- en drukprestatie realiseert, wat de effectiviteit ervan bij het aandrijven van zachte robotische systemen aantoont.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je een wereld voor waarin machines niet bewegen met motoren, tandwielen of batterijen, maar met de stille duw van elektriciteit door een vloeistof. Dit is het domein van de elektrohydrodynamica, een vakgebied waar wetenschappers hoogspanningselektriciteit gebruiken om vloeistoffen te roeren en beweging te creëren. In een standaardopstelling bevinden zich twee elektroden in een niet-geleidende vloeistof. Wanneer er een sterk elektrisch veld wordt aangelegd, onttrekt dit elektronen aan sommige fluïdummoleculen, waardoor ze een positieve lading krijgen. Deze geladen moleculen worden vervolgens naar de negatieve elektrode getrokken. Terwijl ze de kloof oversteken, sleuren ze de omringende neutrale vloeistof met zich mee, wat een gestage stroom van stroming creëert. Dit proces biedt een uniek voordeel voor de robotica: het vereist geen bewegende mechanische onderdelen, waardoor de resulterende pompen stil, ongelooflijk dun en gemakkelijk te verkleinen zijn. Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd deze pompen krachtig genoeg te maken om zachte, flexibele robots aan te drijven die de zachte bewegingen van levende wezens kunnen nabootsen, maar het vergroten van hun kracht zonder extra omvang toe te voegen, bleef een hardnekkige uitdaging.
Een team onderzoekers aan de University of Electro-Communications in Japan, werkend samen met ingenieurs van Mitsubishi Chemical, heeft nu een belangrijke stap voorwaarts gezet door het hart van deze pompen te herontwerpen. In plaats van te vertrouwen op een enkele laag elektroden, hebben zij een methode ontwikkend om meerdere lagen op elkaar te stapelen als een spel kaarten, waardoor een pomp ontstaat die zowel lichtgewicht als opmerkelijk krachtig is. Hun innovatie ligt in de manier waarop zij de lagen hebben geconstrueerd. In plaats van de elektroden en het isolatiemateriaal als afzonderlijke stukken te bouwen en te proberen uit te lijnen, hebben zij de elektroden direct op beide zijden van een enkel, dun blad isolatiemateriaal geëtst, vergelijkbaar met de printplaten die in alledaagse elektronica worden gevonden. Vervolgens hebben zij duizenden kleine gaatjes door dit gehele 'sandwich'-materiaal geboord. Dit "dicht geperforeerde" ontwerp zorgt ervoor dat het elektrische veld tegelijkertijd op de randen van elk afzonderlijk gaatje kan inwerken, waardoor de gegenereerde kracht binnen een zeer kleine ruimte wordt vermenigvuldigd.
De onderzoekers testten hun nieuwe ontwerp door pompen te bouwen met variërende aantallen lagen, verschillende gaatjesgroottes en verschillende dichtheden van de gaatjes. Zij ontdekten dat het simpelweg stapelen van meer lagen de pomp sterker maakte drukken, waarbij de druk bijna in directe verhouding tot het aantal toegevoegde lagen steeg. Tegelijkertijd zorgde het groter maken van de gaatjes ervoor dat er meer vloeistof doorheen kon stromen, wat de snelheid van de stroming verhoogde. Door deze factoren zorgvuldig in balans te brengen, creëerden zij een vijflagige pomp die slechts 0,64 gram woog, maar een enorme hoeveelheid vloeistof kon verplaatsen voor zijn omvang. Dit minuscule apparaat bereikte een maximaal debiet van 2041,0 milliliter per minuut en kon een druk genereren van 9,3 kilopascal. Misschien wel het meest indrukwekkend was dat, wanneer gemeten aan de hand van hoeveel arbeid het kon verrichten relatief aan zijn eigen gewicht, de pomp een vermogensdichtheid leverde van 55,0 watt per kilogram. Dit cijfer vertegenwoordigt een meer dan negentigmaal verbetering ten opzichte van eerdere pompen van een vergelijkbaar type, waarmee het langlopende probleem van het verkrijgen van hoge prestaties uit een lichtgewicht, solid-state apparaat effectief werd opgelost.
Om te bewijzen dat deze technologie klaar is voor echt gebruik, verbonden het team hun nieuwe pomp met zachte robotische apparaten. Zij vulden de pomp en twee verschillende soorten zachte actuatoren met dezelfde diëlektrische vloeistof. Wanneer zij de spanning aanlegden, duwde de pomp de vloeistof in de actuatoren, waardoor deze gingen bewegen. In één test slaagde de pomp erin om een kunstmatige spier gemaakt van siliconen en stof te laten samentrekken, waarbij voldoende kracht genereerde om kleine gewichten op te tillen. In een ander experiment liet de pomp een zachte, met vloeistof gevulde arm buigen. Tot slot, door twee van deze buigende armen te combineren tot een eenvoudige grijper, was het systeem in staat om kleine bolvormige en kubieke objecten op te pakken en vast te houden. Deze demonstraties toonden aan dat de pomp niet slechts een laboratoriumcuriositeit is, maar een veelzijdige krachtbron die in staat is om complexe, flexibele machines aan te drijven. De onderzoekers merkten op dat hoewel de pomp stabiel is tijdens urenlange operatie, toekomstig werk zich zal richten op het nog responsiever maken ervan door verschillende vloeistoffen te testen en de tussenruimte tussen de gestapelde lagen te verfijnen. Voor nu biedt dit nieuwe gestapelde ontwerp echter een duidelijk pad naar het bouwen van zachte robots die even stil, efficiënt en krachtig zijn als de natuur het bedoeld heeft.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.