Magnetiska fält ökar kraften i mjuka robotar
Tänk om samma krafter som rör en mjuk robot också kunde driva den?Ny forskning visar att magnetfält kan göra robotar obundna, smarta och hålla längre.
Mjuka robotar kan röra sig genom trånga utrymmen för att utföra uppgifter som att odla koraller i labb eller inspektera rör i kemiska anläggningar.Att ge dem "förkroppslig intelligens", där känsla, rörelse och kraft samverkar obundet, är fortfarande svårt.Flexibla material låter robotar böjas, men deras kraftkällor kan inte.Standardbatterier kan styva kroppen, tömmas snabbt eller misslyckas under påfrestning, vilket håller robotar bundna eller kortlivade.
Forskare vid National University of Singapore hittade ett sätt att vända detta problem till en fördel.Deras studie i Science Advances visar att magnetfälten som används för att styra mjuka robotar också kan öka prestandan hos batterierna inuti dem.
Teamet byggde flexibla zink-mangandioxid (Zn-MnO₂) batterier i silikon och staplade dem vertikalt inuti en manta ray-inspirerad robotkropp.Vertikal stapling sparar utrymme och håller roboten flexibel.Manta ray-designen tillåter koordinerad rörelse, avkänning och energianvändning i en kompakt layout.
Tester visade att magnetfält från robotens ställdon stabiliserade batterikemin, minskade dendrittillväxt och bibehöll energiproduktionen under böjning och stress.Med magnetisk förbättring behöll batterierna 57,3 % kapacitet efter 200 cykler, nästan dubbelt så mycket som oförbättrade batterier.Effekten kommer från omdirigering av zinkjoner för jämn avsättning och justering av elektronsnurr i manganoxidgittret för att förhindra kristallskador.Denna dubbla stabilisering erbjuder ett sätt att ge hållbar kraft ombord.
För att demonstrera tillvägagångssättet byggdes en manta ray-robot med flexibla batterier, magnetiska ställdon och en hybridkrets för avkänning och trådlös kommunikation.Dess fenor flaxar som svar på magnetfält, vilket möjliggör rörelse över vattenytor.Samma fält som driver rörelse förbättrar också batteriets stabilitet.Roboten kan simma, vända, följa komplexa vägar och skicka data till ett digitalt tvillingsystem.
Roboten reagerar självständigt på hinder.Tröghetssensorer upptäcker accelerationsförändringar, vilket föranleder justeringar i orientering och navigering.Återkopplingsalgoritmer korrigerar gir, stigning och rullning orsakade av vågor eller kontakt, medan temperatursensorer kartlägger miljöförhållanden.Vertikal integration av aktivering, avkänning och kraft maximerar utrymmet utan att minska flexibiliteten, vilket gör att roboten kan röra sig, känna av och svara i realtid.
Framtida planer inkluderar att lägga till miniatyrsensorer, såsom ultraljuds- och kemiska detektorer, och tillämpa magnetisk förbättring på andra batterityper eller former som bärbara fibrer.Målet är mjuka robotar som arbetar autonomt i komplexa eller otillgängliga utrymmen, från rörledningsinspektion till marin övervakning eller medicinska uppgifter, för att uppnå energieffektiv förkroppsligande intelligens inspirerad av naturlig design.