这款机器人手通过排汗来降温,效率比人类高三倍

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2020年2月21日 18时16分

原作者:Charles Q. Choi

文章来源:IEEE Spectrum

编译/字幕组:沈永强

 

这款机器人手通过排汗来降温,效率比人类高三倍插图

(图源:康奈尔大学/Facebook Reality Labs/AAAS)

 

一项新的研究发现,在未来,当负荷加重时,柔性机器人可能会通过大量排汗来防止过热,就像马拉松运动员或者古代的猎人们在大草原上追逐捕猎的时候一样。

 

传统的机器人由刚性部件构成,容易因为擦碰、扭曲和坠落等而受损,而受海星、蠕虫和章鱼启发制造的柔性机器人能够抵抗多种这样的伤害并且能通过蠕动越过障碍物。柔性机器人通常更加便宜,易于制造,相对轻巧并且对周围人更加安全。

 

但是,构成柔性机器人的橡胶材料会产生热量,加剧了因为过热引起的问题。此外,Facebook Reality Labs的合著者以及科学家TJ. Wallin表示,用来控制温度的常规设备,例如散热器或者风扇,通常是由刚性材料制成,这与柔性机器人的材质不相兼容。

 

为了解决这个问题,科学家们决定制作出一台可以分泌汗液的机器人。Wallin说:“事实证明,出汗是人类最为显著的特征之一,我们不是速度最快的动物,但是早期人类在坚持不懈的狩猎过程中不断进步——兼具了排汗能力、相对较少的体毛以及直立的双足步态使得人类能够在远距离追逐中耗死猎物。”

 

Wallin说:“据我们所知,在合适条件下,一位优秀的马拉松运动员每小时能排出近四升的汗液——这相当于大约每小时2.5千瓦的制冷效能,换一个角度来看这个数据,冰箱制冷仅有大约1千瓦时的能耗。因此,生物学总能给我们的工程师指出很多有价值的研究方向。”

 

研究人员通过3D打印制造了这款柔性机器手指像气球一样内部中空。通过调节每根手指内部的水压,这些机器手指可以实现弯曲或者伸直的动作来抓取或者放下物体。

 

 

机器手指由两种不同的柔软、有韧性的树脂制成。构成手指主体部分的树脂在受热达到40摄氏度以上时会收缩,而手指背部覆盖的树脂在受热达30摄氏度时则会膨胀。

 

每一根手指的被 main还有细小的“毛孔”。在低于30摄氏度时,这些毛孔会保持封闭,但当温度升高,手指背部的树脂材料将会膨胀,从而扩张这些毛孔使得手指肿的水像汗液一样排出。此外,随着温度继续升高,手指主体部分的树脂材料将会收缩,帮助排出“汗水”。

 

Wallin表示:“这种材料合成方案最出色的一点在于它将温度调节的能力融入到材料本身当中,我们不需要添加传感器或者其他组件来控制出汗的效率——当局部温度上升到拐点以上时,毛孔会自己舒张或者收缩。”

 

当机器手指处在风扇的风中时,出汗后手指的温度每分钟能够下降约39摄氏度,大约是干燥手指的六倍。科学家补充道,这个可排汗的机器手指的降温能力(大约107W/Kg)远远超过了目前在生物身上所有的降温能力(例如马和人类的35W/Kg)。

 

康奈尔大学的合著者、机械工程师Robert Shepherd说:“从生物学角度看,人类需要通过皮肤排汗来控制体内温度。我们从中汲取灵感并创造了同样通过排汗的高效降温方法。“

 

Shepherd表示,尽管汗水会使机器手指变得容易打滑,但研究人员可以将它的皮肤设计得像人类的手指一样有皱纹,以此在排汗时增强摩擦力。

 

机器手指的汗液中还可能会添加一些化学物质来去除其接触到的污染物,在表面覆盖一层保护层后者分解其接触到的东西。然后可以吸收被分解的东西并进行分析。

 

这些机器手指遇到的一个问题就是排汗会降低内部的水压并影响到活动能力。Wallin表示未来可能会将排汗和活动用的水网分开,尽管这会让构造变得更加复杂。

 

当前这款能够排汗的机器人也无法补充失去的水分。Shepherd说:“答案现在就在我面前——我现在正在喝着咖啡。我认为为了让机器人能够使用我们创造的排汗功能,它也应该有饮水的能力。”

 

目前人工排汗的另一个缺陷在于,当汗液无法挥发以冷却机器人时,例如处在水下或者空气非常潮湿的时候,这项功能可能就无济于事了。Wallin说道,“但是,我想说的是,其他的散热方法,例如传导、对流和辐射,在体温低于环境温度时,它们都无法有效地降低人体温度,而排汗和汗液挥发则可以有效地降低体温。从某些方面来说这是个折中的办法,但我们认为它确确实实是有很重要的好处的。”

 

 

本文系古月居编译作品,如需转载请注明出处。

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  • 落花有梦 2020年2月29日 下午10:02

    胡老师您好,我正在以您的《ROS机器人开发实践》作为学习参考来做毕业设计,学习期间运行代码遇到了一些问题,想向您请教,请问怎么能联系上您?