I robot di riconfigurazione possono essere utilizzati per la costruzione di un robot, che può essere utilizzato per la realizzazione di un robot, che si adatta a un robot di tipo industriale, che si occupa di un'automazione industriale, che può essere utilizzata come un'unità di lavoro.

Comprensione delle leghe metalliche liquide

Le leghe metalliche liquide sono definite dalla loro capacità di rimanere in uno stato liquido a o vicino temperatura ambiente. La famiglia più comune è le leghe a base di gallio, come il gallio-indio eutettico (EGaIn) e il galinstan (una lega di gallio-indio-tin) che fanno il gallio-indio-tinio-situano-silico.

Le principali proprietà fisiche che li rendono attraenti per la robotica riconfigurabile includono:

  • Alta conducibilità elettrica:[] I metalli liquidi espongono conduttività sull'ordine di 10^6 S/m, paragonabili ai metalli solidi, consentendo loro di servire come fili e interconnessioni di circuito elastici.
  • Viscosità bassa:[ Con viscosità vicino a quella dell'acqua, queste leghe possono essere pompate, iniettate e sagomate con forza minima, permettendo una rapida riconfigurazione.
  • Deformabilità estrema:[ Possono allungare, piegare e scorrere senza fratturare, perfettamente in sintonia con la conformità delle strutture robotizzate morbide.
  • Tensione superficiale alta:[] Leghe a base di gallo formano una pelle di ossido sottile che stabilizza la loro forma a piccole scale, che possono essere sfruttate per creare strutture di freestanding che rimangono intatte fino a quando deliberatamente rotto.
  • Riscaldamento:[ Dopo la rottura, la pelle di ossido si riforma quasi istantaneamente, e il nucleo conduttivo si ricollega, ripristinando la funzionalità elettrica entro millisecondi.

Queste proprietà non sono solo miglioramenti incrementali sui materiali tradizionali; rappresentano uno spazio di progettazione fondamentalmente nuovo, ad esempio un singolo filo metallico liquido può allungare a più volte la sua lunghezza originale mantenendo la conducibilità, qualcosa che nessun conduttore solido può raggiungere senza guasto.

Ruolo in Robotica Riconfigurabile

La robotica riconfigurabile comprende un ampio spettro di sistemi, dagli sciami modulari che si schiudono insieme a robot morbidi che mormorano i loro corpi. Leghe metalliche liquide sono adatte in modo unico a entrambi gli estremi. Possono funzionare come conduttori flessibili, attuatori,[[FLT4]

Conduttori flessibili e circuiti elasticizzati

L'elettronica rigida convenzionale è un collo di bottiglia per robot riconfigurabili, poiché non riescono a superare grandi ceppi. I microcanali riempiti di metalli liquidi incorporati in substrati elastomeri offrono una soluzione. Questi canali possono essere modellati in geometrie complesse per formare circuiti elastici, antenne e linee di trasmissione di potenza.

Attuatori e Strutture a forma di morfaggio

L’azione in robot riconfigurabili spesso si basa su cambiamenti di volume o rigidità. I metalli liquidi possono essere impiegati in attuatori elettrostatici o idraulici. Un approccio utilizza gocce metalliche liquide come condensatori variabili: l’applicazione di una tensione cambia la forma e l’angolo di contatto del gocciolante, producendo forze che possono piegare o allungare le strutture morbide.

Autoguarigione e tolleranza di guasto

Se un conduttore rompe o una fuga di giunzioni, la pelle di ossido si riforma rapidamente e le ricollegamenti di metallo. In un robot riconfigurabile che opera in un ambiente non strutturato o pericoloso, come un edificio crollato, una stazione spaziale, o all'interno del corpo umano, la capacità di riparare autonomamente circuiti danneggiati o percorsi fluidi si estende in misura significativamente in termini di affidabilità dei contatti liquidi.

Vantaggi Sopra i materiali tradizionali

Per apprezzare l'impatto delle leghe metalliche liquide, è utile confrontarle con i materiali attualmente utilizzati nella robotica riconfigurabile: metalli rigidi, polimeri conduttivi e liquidi ionici.

  • Metalli rigidi:[ Il rame e l'alluminio offrono una buona conducibilità ma non riescono a faticare sotto sforzo; richiedono anche cerniere complesse o contatti scorrevoli per accogliere il movimento. I metalli liquidi forniscono la stessa conducibilità ma con una vita di fatica infinita sotto deformazione.
  • I polimeri conduttivi:[] I materiali come il polipirrolo o il PEDOT: i PSS sono allungabili ma hanno conduttività diverse ordini di grandezza inferiore. Per applicazioni ad alta intensità di potenza (ad esempio, motori di guida o dati di trasmissione), i metalli liquidi sono molto superiori.
  • Ionic Liquids: Le soluzioni di sale o gli elettroliti liquidi sono utilizzati in alcuni sensori e attuatori morbidi, ma hanno una scarsa conducibilità elettrica (tipicamente <1 S/m) e non possono trasportare corrente significativa. I metalli liquidi colmano il divario tra la conformità meccanica e le prestazioni elettriche.

Inoltre, i metalli liquidi possono essere riciclati e riutilizzati.A differenza dei conduttori solidi che devono essere sostituiti dopo la frattura, il metallo liquido versato può essere ricollato e riiniezionato. Questa proprietà supporta la produzione sostenibile per robot monouso o di breve durata riconfigurabili, come quelli utilizzati nel monitoraggio ambientale o interventi medici.

Sfide e soluzioni ingegneristiche

Nonostante la loro promessa, leghe metalliche liquide presentano diversi ostacoli ingegneristici che devono essere superati per la pratica, la distribuzione su larga scala nella robotica riconfigurabile.

Ossidazione e contaminazione

Leghe a base di gallio formano uno strato di ossido nativo (ossido digallio) all'atto dell'esposizione all'aria. Mentre questo strato aiuta la stabilizzazione della forma, aumenta anche la resistenza di contatto elettrico e può causare il metallo a rimanere sulle superfici. I ricercatori hanno sviluppato diverse strategie di mitigazione: incapsulare il liquido in atmosfere inerte (ad esempio, argon), utilizzando soluzioni acide o di base per sciogliere l'ossido, o applicare il rivestimento ultra-tribulinare.

Controllo preciso del movimento

La maggior parte delle dimostrazioni utilizzano pompe siringhe o pompe peristaltiche, ma questi sono ingombranti e inadatti per robot non tethered. Gli approcci microfluidici utilizzando forze dielettriche (elettrizzando locomozione su dielettrico, o EWOD) possono spostare le gocce individuali con tensioni inferiori a 100 V, ma la scalatura a più canali indipendenti rimane impegnativa.

Leakage e sigillatura

I metalli liquidi possono penetrare attraverso lacune microscopiche, specialmente quando vengono pressurizzati. La sigillatura affidabile richiede una robusta incapsulazione, spesso utilizzando più strati di elastomero siliconico, rivestimento parilene o film polimerici saldati a laser. L'imbottitura del metallo in una matrice elastomerica continua riduce significativamente il rischio di perdite. Inoltre, la proprietà di auto-guarigione significa che piccole perdite possono essere sigillate automaticamente, anche se grandi violazioni.

Scalabilità e fabbricazione

Le tecniche attuali per la modellazione di circuiti metallici liquidi (ad esempio, iniezione microfluidica, modellazione laser o scrittura diretta) sono limitate alla produzione di lotti su scala di laboratorio. Per i robot riconfigurabili diventare metodi di produzione scalabili e commercialmente, come la stampa 3D, la stampa dello schermo o la lavorazione roll-to-roll devono essere adattati per i metalli liquidi.

Ricerche e Trattamenti attuali

Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno spingendo i confini della robotica riconfigurabile in metallo liquido. Al North Carolina State University, gli scienziati hanno dimostrato una “soft robotic gripper” che utilizza circuiti metallici liquidi per consentire sia il rilevamento e l'attuazione in una singola struttura elastica.

Nel regno dell'elettronica auto-guarigione, una collaborazione tra l'Università dell'Illinois e l'Università del Michigan ha prodotto un interconnessione di metallo liquido che ha ripristinato il 95% della sua conducibilità originale dopo essere stato sequestrato, con la guarigione che si verifica in meno di 100 millisecondi. Questi studi, pubblicati in riviste come [FLT accelera 1]]]

Applicazioni future di Outlook e potenziali

Poiché le sfide tecniche sono affrontate, leghe metalliche liquide consentiranno robot riconfigurabili che sono molto più capaci delle piattaforme attuali.

Robotica medica

I cateteri e gli endoscopi che possono cambiare la loro rigidità o forma all'interno del corpo ridurranno drasticamente i traumi durante le procedure. Un ago steerable a base di metallo liquido potrebbe essere guidato proprio attraverso tessuti molli, pur conformandosi a percorsi imprevedibili. Inoltre, robot ingestibili che riconfigurano in depositi di consegna della droga o sensori per terapia mirata sono all'orizzonte.

Esplorazione dello spazio

I robot inviati in ambienti extraterrestri devono sopportare alte temperature, radiazioni e urti. I metalli liquidi rimangono conduttivi su un ampio range di temperatura (il gassoso è liquido da -19°C a oltre 1300°C quando sotto pressione appropriata), rendendoli ideali per i rover che devono piegarsi in configurazioni di lancio compatte e poi espandersi dopo l'atterraggio.

Automazione industriale

Le fabbriche del futuro impiegano robot riconfigurabili che possono passare rapidamente tra le attività, ad esempio, montaggio, pittura e ispezione, semplicemente cambiando la loro forma fisica.

Robotica morbida indossabile

I sensori e gli attuatori in metallo liquido, incorporati in tessuto o silicone, possono fornire la necessaria conformità mantenendo le prestazioni elettriche. Un robot indossabile riconfigurabile potrebbe, ad esempio, regolare il livello di assistenza in base ai modelli di movimento dell'utente o ripararsi dopo una lacrima, prolungando significativamente la sua durata di servizio.

Conclusioni

L'integrazione delle leghe metalliche liquide in robotica riconfigurabile rappresenta non solo un miglioramento incrementale ma un cambiamento fondamentale nel modo in cui le macchine sono concepite e costruite. Imbragando materiali che sono allo stesso tempo solidi e fluidi, gli ingegneri possono creare robot che si adattano al loro ambiente, guariscono dopo le lesioni e riconfigurano la loro propria architettura interna in volo.