La inestabilidad en ingeniería generalmente no es algo bueno. Si está construyendo un rascacielos, las inestabilidades menores podrían hacer que toda la estructura se derrumbara en una fracción de segundo. Pero, ¿qué sucede si un cambio rápido de forma es exactamente lo que desea?
Las máquinas blandas y los robots se están volviendo cada vez más funcionales, capaces de moverse, saltar, agarrar un objeto e incluso cambiar de color. Los elementos responsables de su movimiento de actuación son a menudo segmentos suaves e inflables llamados actuadores fluidos. Estos actuadores requieren grandes cantidadesde aire o agua para cambiar de forma, haciendo que las máquinas sean lentas, voluminosas y difíciles de desatar.
Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard SEAS ha diseñado un nuevo actuador suave que aprovecha el poder de la inestabilidad para desencadenar un movimiento instantáneo.
La investigación fue dirigida por Katia Bertoldi, profesora asociada de Ciencias Naturales John L. Loeb, miembro del Instituto Kavli de Ciencia y Tecnología Bionano y profesora asociada del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales. El trabajo se describe enun papel en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
El actuador está inspirado en un famoso experimento de física en el que dos globos se inflan a diferentes tamaños y se conectan a través de un tubo y una válvula. Cuando se abre la válvula, el aire fluye entre los globos. En lugar de igualar el tamaño, como cabría esperar, el globo más grande se infla más mientras que el globo más pequeño se desinfla.
Este comportamiento inesperado proviene de la relación no lineal de los globos entre presión y volumen, lo que significa que un aumento en el volumen no necesariamente aumenta la presión.
"Al inflar un globo, los primeros golpes son los más duros, pero después de alcanzar una presión crítica se hace más fácil", dijo Johannes Overvelde, estudiante de doctorado en SEAS y primer autor del artículo. "Similar a los globos, en nuestra investigaciónconectamos segmentos fluídicos de tal manera que una interacción entre su respuesta no lineal da como resultado un comportamiento inesperado. Ciertas combinaciones de estos segmentos interconectados pueden resultar en inestabilidades de movimiento rápido con un cambio insignificante en el volumen ".
Estas inestabilidades de movimiento rápido, llamadas inestabilidades de ajuste rápido, desencadenan grandes cambios en la presión interna, la extensión, la forma y la fuerza ejercida, con solo pequeños cambios en el volumen. Si se aprovechan, estas inestabilidades permitirían que los robots blandos se muevan rápidamente sin necesidadpara llevar o estar atado a un suministro de fluido.
Pero primero el equipo de Bertoldi tuvo que encontrar una manera de controlar algo que, por definición, es incontrolable.
El equipo comenzó construyendo e inflando 36 segmentos individuales con agua, y midiendo cómo respondieron. Luego, utilizando un algoritmo informático complejo, determinaron las respuestas de todas las combinaciones posibles de los segmentos.
Un total de 630 actuadores posibles podrían ensamblarse a partir de dos segmentos, cada uno con una respuesta combinada diferente. Algunas de las combinaciones mostraron inestabilidades, otras no. El equipo seleccionó la respuesta preferida para una aplicación específica. Una combinación, por ejemplo,conduciría a un aumento repentino en la longitud del actuador, moviéndolo como un gusano. Otra combinación transferiría rápidamente todo el volumen de un segmento a otro.
Estos movimientos rápidos podrían activarse con pequeñas cantidades de volumen. Por ejemplo, 1 ml de agua provocó una inestabilidad instantánea que resultó en un flujo de volumen interno de 20 ml.
"La belleza de estos segmentos individuales es que son fáciles y baratos de fabricar a partir de materiales listos para usar. Sin embargo, cuando conecta segmentos obtiene actuadores suaves con un comportamiento muy complejo", dijo Overvelde. "Al conectar múltiples segmentos, puede insertar un programa simple en el actuador que pueda realizar una secuencia compleja de inflación y deflación locales ".
El siguiente paso es probar estas inestabilidades en robótica suave.
"Los ingenieros han evitado por mucho tiempo la inestabilidad porque a menudo representa una falla", dijo Bertoldi. "Es notable que la inestabilidad en sí misma haya proporcionado una forma de mejorar y hacer avanzar el campo de los actuadores suaves".
Esta investigación fue coautora de Tamara Kloek y Jonas D'haen. Fue apoyada por el Centro de Investigación e Ingeniería de Materiales de Investigación y la Fundación Nacional de Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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