Pumpe treibt Softroboter an, macht Cocktails

Gerät öffnet die Tür für Soft-Robotik-Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung, Produktion und biomedizinischen Therapeutik

14.07.2023 - Großbritannien

computergeneriertes Bild

Das heißeste Getränk des Sommers könnte die SEAS-Colada sein. Dazu braucht man: Gin, Ananassaft, Kokosnussmilch und eine peristaltische Pumpe mit dielektrischem Elastomerantrieb. Leider ist die letzte Komponente nur im Labor von Robert Wood zu finden, dem Harry Lewis und Marlyn McGrath Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Zumindest im Moment.

Wood und sein Team haben die Pumpe entwickelt, um eine große Herausforderung in der Soft-Robotik zu lösen - nämlich die Frage, wie man die traditionell sperrigen und starren Antriebskomponenten durch weiche Alternativen ersetzen kann.

In den letzten Jahren hat Woods Microrobotics Lab am SEAS weiche Analoga von traditionell starren Robotikkomponenten, einschließlich Ventilen und Sensoren, entwickelt. In flüssigkeitsbetriebenen Robotersystemen steuern Pumpen den Druck oder die Strömung der Flüssigkeit, die die Bewegung des Roboters antreibt. Die meisten heute für Soft-Robotik verfügbaren Pumpen sind entweder zu groß und starr, um an Bord zu passen, nicht leistungsstark genug für die Betätigung oder funktionieren nur mit bestimmten Flüssigkeiten.

Woods Team entwickelte eine kompakte, weiche Pumpe mit einstellbarem Druckfluss, die vielseitig genug ist, um eine Vielzahl von Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität zu pumpen, darunter Gin, Saft und Kokosmilch, und die stark genug ist, um weiche haptische Geräte und einen weichen Roboterfinger zu betreiben.

Die Größe, Leistung und Vielseitigkeit der Pumpe eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten für weiche Roboter in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Handhabung von Lebensmitteln, der Fertigung und der biomedizinischen Therapeutik.

Die Forschungsarbeit wurde kürzlich in Science Robotics veröffentlicht .

Peristaltische Pumpen sind in der Industrie weit verbreitet. Diese einfachen Maschinen verwenden Motoren, um einen flexiblen Schlauch zusammenzudrücken, wodurch ein Druckunterschied entsteht, der eine Flüssigkeit durch den Schlauch drückt. Diese Art von Pumpen sind besonders nützlich für biomedizinische Anwendungen, da die Flüssigkeit nicht mit den Komponenten der Pumpe selbst in Berührung kommt.

"Peristaltische Pumpen können Flüssigkeiten mit einer großen Bandbreite an Viskositäten, Partikel-Flüssigkeits-Suspensionen oder Flüssigkeiten wie Blut fördern, was für andere Pumpentypen eine Herausforderung darstellt", sagt Erstautor Siyi Xu, ein ehemaliger Student am SEAS und derzeitiger Postdoktorand in Woods Labor.

Aufbauend auf früheren Forschungsarbeiten entwickelten Xu und das Team elektrisch betriebene dielektrische Elastomeraktoren (DEAs), die als Motor und Rollen der Pumpe fungieren. Diese weichen Aktuatoren haben eine extrem hohe Leistungsdichte, sind leicht und können Hunderttausende von Zyklen durchlaufen.

Das Team hat eine Reihe von DEAs entwickelt, die sich gegenseitig koordinieren und einen millimetergroßen Kanal in einer programmierten Abfolge komprimieren, um Druckwellen zu erzeugen.

Das Ergebnis ist eine zentimetergroße Pumpe, die klein genug ist, um an Bord eines kleinen Softroboters Platz zu finden, und leistungsstark genug, um Bewegungen auszulösen, wobei Druck, Durchflussmenge und Durchflussrichtung steuerbar sind.

"Wir haben auch gezeigt, dass wir die Leistung aktiv von einem kontinuierlichen Fluss in Tröpfchen umwandeln können, indem wir die Eingangsspannungen und den Auslasswiderstand, in unserem Fall den Durchmesser der stumpfen Nadel, variieren", sagt Xu. "Diese Fähigkeit könnte es ermöglichen, dass die Pumpe nicht nur für die Robotik, sondern auch für mikrofluidische Anwendungen nützlich ist".

"Die meisten Softroboter enthalten irgendwo in ihrem Antriebsstrang starre Komponenten", so Wood. "Dieses Thema begann als Versuch, eines dieser Schlüsselteile, die Pumpe, gegen eine weiche Alternative auszutauschen. Im Laufe der Zeit haben wir jedoch erkannt, dass kompakte, weiche Pumpen einen weitaus größeren Nutzen haben könnten, zum Beispiel in der Biomedizin für die Verabreichung von Medikamenten oder implantierbare therapeutische Geräte."

Die Forschungsarbeit wurde von Cara M. Nunez und Mohammad Souri mitverfasst. Sie wurde von der National Science Foundation unter dem Zuschuss CMMI-1830291 unterstützt.

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