Ερευνητές στην Ελβετία ανέπτυξαν έναν εύκαμπτο ηλεκτρικό κινητήρα διαμέτρου μόλις 1 έως 3 χιλιοστών, ο οποίος μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε γραμμική κίνηση
Έναν κινητήρα που μοιάζει με κλωστή και μπορεί να ενσωματωθεί ακόμη και σε ρούχα ανέπτυξαν μηχανικοί του Ομοσπονδιακού Πολυτεχνείου της Λωζάνης (EPFL) στην Ελβετία.
Η νέα τεχνολογία, με την ονομασία FiberMotor, συνδυάζει μικρό μέγεθος, ευκαμψία και ικανότητα παραγωγής δύναμης, προσφέροντας νέες δυνατότητες στον τομέα της μαλακής ρομποτικής και των wearable βοηθητικών συσκευών.
Ο κινητήρας έχει διάμετρο μόλις 1 έως 3 χιλιοστά και αποτελείται από δύο ίνες, τοποθετημένες η μία μέσα στην άλλη και τυλιγμένες με λεπτά, μονωμένα ηλεκτρόδια από χάλκινο σύρμα, πάχους ελάχιστα μεγαλύτερου από εκείνου μιας ανθρώπινης τρίχας.
Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση, αναπτύσσονται ηλεκτροστατικές δυνάμεις που ωθούν επανειλημμένα τις δύο ίνες προς ευθυγράμμιση. Ως αποτέλεσμα, η εσωτερική ίνα ολισθαίνει μέσα στην εξωτερική, με κίνηση που θυμίζει τηλεσκοπικό μηχανισμό. Με αυτόν τον τρόπο, η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται απευθείας σε γραμμική κίνηση.
«Το FiberMotor είναι ο πρώτος κινητήρας ολίσθησης σε μορφή ίνας», αναφέρει ο Herbert Shea, επικεφαλής του εργαστηρίου Soft Transducers Laboratory. Όπως επισημαίνει, η συσκευή μπορεί να παράγει αρκετή δύναμη για την κίνηση συστημάτων μαλακής ρομποτικής, διατηρώντας παράλληλα την ευκαμψία της, τη σχεδόν αθόρυβη λειτουργία της και τη δυνατότητα κίνησης και προς τις δύο κατευθύνσεις.
Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Materials.
Διαφορές από τους συμβατικούς κινητήρες
Η ανάπτυξη του FiberMotor αποτελεί συνέχεια προηγούμενης έρευνας της ίδιας ομάδας.
Το 2023 επιστήμονες του εργαστηρίου παρουσίασαν μια αντλία σε μορφή ίνας, η οποία μπορούσε να δημιουργεί πίεση και ροή υγρού μέσα από έναν εύκαμπτο σωλήνα.
Η συγκεκριμένη τεχνολογία σχεδιάστηκε ώστε να μπορεί να ραφτεί σε ‘έξυπνα’ υφάσματα, επιτρέποντας την κυκλοφορία υγρών για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος, την παροχή απτικών ερεθισμάτων και την υποστήριξη wearable βοηθητικών συσκευών.
Με το FiberMotor, οι ερευνητές επιχειρούν να επεκτείνουν αυτή την προσέγγιση, ενσωματώνοντας πλέον σε μια λεπτή ίνα όχι μόνο λειτουργίες διαχείρισης υγρών, αλλά και έναν μηχανισμό που παράγει κίνηση.
Πολλές καθημερινές δραστηριότητες, όπως η ανύψωση, η ώθηση και η έλξη αντικειμένων, βασίζονται στη γραμμική κίνηση. Ωστόσο, η αναπαραγωγή αυτών των κινήσεων σε wearable ρομποτικά συστήματα παραμένει δύσκολη, καθώς οι κινητήρες που μπορούν να παράγουν επαρκή δύναμη συχνά απαιτούν άκαμπτα γρανάζια, μηχανισμούς μετάδοσης και ογκώδη εξαρτήματα.
Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι οι λεγόμενοι «τεχνητοί μύες», οι οποίοι μιμούνται τη λειτουργία των ανθρώπινων μυών μέσω της παραμόρφωσης ειδικών υλικών. Ωστόσο, το εύρος της κίνησής τους εξαρτάται από το πόσο μπορούν τα υλικά τους να επιμηκυνθούν, να συσταλούν ή να καμφθούν.
Αντίθετα, στο FiberMotor το εύρος της κίνησης περιορίζεται κυρίως από το μήκος των ινών. Παράλληλα, η απουσία γραναζιών και μηχανισμών μετάδοσης επιτρέπει την αντίστροφη κίνηση υπό την επίδραση εξωτερικής δύναμης, χαρακτηριστικό γνωστό ως backdrivability.
Αυτό σημαίνει ότι, εάν ο χρήστης κινηθεί απροσδόκητα ή προς την αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη που επιβάλλει ο κινητήρας, οι ίνες ολισθαίνουν η μία στην άλλη, αντί να μπλοκάρουν. Η δυνατότητα αυτή θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική για συστήματα που συνεργάζονται άμεσα με το ανθρώπινο σώμα, καθώς επιτρέπει πιο φυσική και ομαλή κίνηση.
Η δύναμη αυξάνεται όταν οι κινητήρες συνδυάζονται
Οι εργαστηριακές δοκιμές έδειξαν ότι ένας μεμονωμένος FiberMotor μπορεί να υποστηρίξει στατικό φορτίο αντίστοιχο με βάρος περίπου 75 γραμμαρίων.
Όταν όμως, τέσσερις κινητήρες συνδυάστηκαν σε μια ενιαία διάταξη, κατάφεραν να ανυψώσουν μια σοκολάτα βάρους 46 γραμμαρίων και να κάμψουν ένα ρομποτικό δάχτυλο που λειτουργεί μέσω τεχνητών τενόντων.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η σύνδεση πολλών κινητήρων σε μορφή ίνας μπορεί να προσφέρει την απαιτούμενη δύναμη για πιο σύνθετες εφαρμογές. Αντί η ισχύς να συγκεντρώνεται σε έναν μεγάλο, άκαμπτο μηχανισμό, μπορεί να κατανέμεται σε πολλαπλά λεπτά στοιχεία που ενσωματώνονται σε ένα εύκαμπτο υλικό.
Οι ερευνητές έχουν ήδη ενσωματώσει το FiberMotor σε ένα πρωτότυπο ένδυμα σχεδιασμένο να εφαρμόζει στην περιοχή του γονάτου, διερευνώντας πώς η τεχνολογία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε wearable συστήματα υποβοήθησης της κίνησης.
Οι πιθανές εφαρμογές του FiberMotor εκτείνονται σε αρκετούς τομείς. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται οι μαλακοί εξωσκελετοί, οι οποίοι θα μπορούσαν να υποστηρίζουν την κινητικότητα ατόμων που χρειάζονται βοήθεια κατά τη βάδιση ή την εκτέλεση καθημερινών δραστηριοτήτων.
Παράλληλα, η τεχνολογία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε wearable συστήματα απτικής ανάδρασης για εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας, καθώς και στην ανάπτυξη ελαφρών προσθετικών μελών.
Η ευκαμψία και το μικρό βάρος των κινητήρων ενδέχεται να επιτρέψουν την κατανομή τους σε διαφορετικά σημεία ενός ενδύματος, δημιουργώντας συστήματα που προσαρμόζονται καλύτερα στις κινήσεις του σώματος, χωρίς να απαιτούν έναν ογκώδη κεντρικό μηχανισμό.
Τα επόμενα βήματα της έρευνας
Η ερευνητική ομάδα εργάζεται τώρα για τη βελτίωση της απόδοσης και της ανθεκτικότητας του FiberMotor. Στα επόμενα βήματα περιλαμβάνονται η χρήση ακόμη λεπτότερων ηλεκτροδίων, αποτελούμενων κυρίως από μονωτικά υλικά, καθώς και η βελτιστοποίηση των υλικών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του.
Ένας ακόμη στόχος είναι η ενσωμάτωση συστημάτων ανάδρασης που θα συλλέγουν δεδομένα σχετικά με τη θέση και τις κινήσεις του χρήστη. Με αυτόν τον τρόπο, ο κινητήρας θα μπορεί να προσαρμόζει γρήγορα τη λειτουργία του στις προθέσεις του ανθρώπου που τον φορά.
Την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας επιδιώκει ήδη ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Sylvain Schaller, ο οποίος ίδρυσε τη startup με την επωνυμία Elecsyor.
{https://www.youtube.com/watch?v=lANIMRoOJeo}
