Uzak Yumuşak Robotlarda Sürdürülebilir Güç için Eleştirel İhtiyacı

Yumuşak robotlar – silikonlar, hidrojektifler veya form-memory polimerler gibi uyumlu malzemelerden inşa edildiler – katı robotlar başarısız olduğu aşırı uzak ortamlar için eşsiz bir şekilde uygundur.Ama en büyük vaatleri de en büyük zayıflığıdır: Enerjik, katı bir enerji sınırlarının değiştirilmesi veya uzun süre boyunca ısıtılması, doğal olmayan enerji yoğunlukları geri dönüşümlü olarak yeniden şekillendiren enerjik bir enerji yoğunluğuna sahiptir.

Uzak ortamlarda mevcut olan enerji kaynakları çeşitlidir: robotun yumuşak gövdesinden mekanik titreşimler, hidrotermal ventsn yakınında ısıtılmış makineler, hatta toprak veya deniz suyunun biyokimyasal tepkilere doğrudan entegre ederek, nanoyapılı malzemelere ve çok yönlü enerji dönüşümlerine olan makineleri ortadan kaldırabilir.Bu alanda araştırma, gelecekteki teknolojileri, hafif ve sonsuza dek adapte etmek için en umut verici teknolojileri araştırır.

Yumuşak Robotik için Enerji Üretiminin Temelleri

Yumuşak robotlar için enerji hasat, mekanik olarak esnek olan sistemler gerektirir, kimyasal olarak yumuşak malzemelerle uyumlu ve düşük enerji atıklarından verimlidir.Tümleşik söndürücü hasatlardan (örneğin, rüzgar türbinleri veya güneş panelleri), yumuşak hasatçılar küçük bir depolama elemanı ile çiftleşir ve normal bir şekilde düşük enerji tasarrufu sağlar - ancak sensörlerin, kablosuz iletişimin ve geçici akışların verimsizliği için yeterli olan ısıtılır.

Üç birincil enerji-harvesting mekanizması yumuşak robotlarda başarıyla gösterilmiştir: pastazoelektrik, triboelektrik ve fotovoltaik. Elektromanyetik ve termoelektrik yöntemleri de ortaya çıkıyor, ancak katı bileşenleri genellikle yumuşaklığı korumak için yaratıcı mimari çözümleri gerektirir. Aşağıda her yaklaşımı inceleyeceğiz.

Piezoelektrik: Mekanik Titreşimli Titreşim

Piezoelektrik malzemeleri – polivinylidene flororide (PVDF), robotun vücudunda zirkonat (PZT) seramikler veya çinko nanoteller – mekanik olarak bilgilendirilmiş bir elektrik potansiyeli, bu malzemeler ince filmler, fiberler veya kompozitler olarak gömülür. Robotun tekrar tekrar tekrarlanan mekanik uyaranlar dalga hareketi, rüzgar flutter veya hareket eden bir elektrik akımının titreşimi, ya da hareketli bir aracın titreşimi, bömergen elementleri yeniden yapılandırılır.

Örneğin, araştırmacılar, su yoluyla hareket eden yumuşak bir robot balığı inşa ettiler, yumuşak robotlar bir şekilde dekore edilmiş, güneş ışığının üzerindeki yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir şekilde, yüksek enerjili bir şekilde yapılanması için yüksek çözünürlükte bir şekilde kullanılan yüksek çözünürlükte bir robota sahipler.

Zorluklar kalır. Çoğu pastazoelektrik seramikleri donduruyor; yumuşak polimerlerde onları birleştirmeyi azaltıyor: Esnek PVDF, döngü başına daha düşük güç çıktısını araştırıyor. Araştırmacılar kompozit malzemeler (örneğin, PZT parçacıkları silikonda dağılır) ve çok katmanlı tasarımları da kritiktir: hasatçık, sıcaklık veya hasar ile geçiş yapabilecektir.

Triboelektrik: Friction-Driven Power

Triboelektrik nanojeneratörler (TENG) iletişimin iki parça malzeme arasında değiştirilmesini kullanır.Bir çift malzeme (örneğin, silikon ve naylon veya şampuan ve alüminyum) temasa geçer ve sonra ayrılır, malzemeler ucuz ve yapılara bağlanır, çünkü yumuşak robotlarda TENGs, normal robot hareket sırasında veya birbirine karşı ovuşturma, baskı veya ovuşturma, ya da şişirme, ya da şişirme gibi.

Bir zorlayıcı örnek, her zaman bir nesneyi kavrayabilecek yumuşak bir kavramadır.Dönetici parmakları triboelektrik tabakaları ile uyumludur; Her bir sözleşme, sıcaklık veya baskı sensörünün küçük bir şarjını oluşturur. derin deniz ortamında, bir TENG ile donatılmış yumuşak bir robot, okyanus akımına veya bir kanaldan kaynaklanan baskı diferansiyelinden kaynaklanan baskıdan kaynaklanan bir güç üretebilir.

TENG'lerin ana dezavantajı yüksek iç içe dönük ve düşük mevcut çıktıları, onları en iyi şekilde ultra güç elektroniği (sensors, vericiler) Power management devreleri yükleri dikkatle eşleştirmelidir, çünkü güneşten veya bir yük kaldırmadan dolayı enerji elde edebilir.

Güneş Enerjisi: Güneşli Çevreler için Esnek Fotovoltaikler

Fotovoltaic (PV) hücreler, en olgun enerji hasat teknolojisidir ve ince film ve organik fotovoltaiklerde onları hafif robotik substratlar ile uyumlu hale getirmiştir. Işıklara dayanan esnek güneş hücreleri, organik polimerler veya boya-sensitize titania onları önemli ölçüde sertleştirmeksizin yumuşak yüzeylere kadar değiştirilebilir.

Bir ikonik uygulama, Ay araştırma için tasarlanmış yumuşak bir robot rover. esnek güneş derisi tüm vücudunu kapsar, güneş enerjisine sahip olan elektronik ve motorlarını kullanmaya izin verir. Çünkü cilt esnek güneş entegrasyonunda anahtar bir kaynaktır ve sonra inişe çıkabilir.[ Dünya’da, araştırmacılar su üzerinde yüz yüzen yumuşak robotlar inşa etti, organik PV hücreleri ile şeffaf silikon vücutlarını kullanarak.

Güneşli su toplama iki temel sınırlamaya sahiptir: ışık gerektirir ve esnek hücrelerin verimliliği (tipik olarak% 10–15) sert silikon hücrelerinden daha düşük (~22-24%) Derin deniz veya mağara ortamları için, güneş etkili bir şekilde güneş ile bir araya getirmez.

Gelişen Yöntemler: Termoelektrik, Elektromanyetik ve Biohybrid

Üç ana tekniğin ötesinde, diğer birçok mekanizma niş uzaktan uygulamalar için söz etmeyi hak ediyor.

[FONT:0]Thermoelektrik jeneratörleri (TEGs)) Görme etkisi ile ısı farklılıkları ısıtılır. Güçlü ısı sistemleri ile güçlü bir ısı sistemleri içinde - örneğin bir jirli robotun vücudunda veya bir glacier yüzeyinin içinde -TEGs sabit bir güç sağlayabilir; Son çalışma, yumuşak robotların üzerindeki baskılı nano-parçacıklı nano-parçacıklı nanoteller kullanılarak en iyi şekilde üretilen nanoparçacıklı robotlar için esnektir.

[FONT:0]Electromanyasal hasatçılar[[Dönetici:0] Hareketli bir mıknatısa güvenerek hareketten mevcut olan gücü yüksek güce sahip olabilirler.Genel olarak, araştırmacılar yumuşak silikonda küçük nadir bulunan mıknatıslar ve bir robotun eklemi boyunca telleri yapıştırır.

[FONT:0]Biohy hasatçılar [[DÜT:1], toprak, su veya atıklar içinde bulunan organik maddeden elektrik üreten mikrobiyal yakıt hücreleri (MFCs) kullanıyor, MFC'ler sürekli olarak uzun vadeli bir çevresel izleme için ideal bir şekilde çalışabilirler.

Çevre-Specific Energy Harvesting Strategies

Tek bir enerji hasat tekniği her yerde en iyi şekilde çalışır. Seçim, belirli uzaktan çevrenin enerji manzarasına bağlıdır. Aşağıda üç arşivli uzaktan ayarları inceleyeceğiz: derin okyanus, dış uzay ve felaket bölgeleri.

Deep Ocean: Triboelektrik ve Piezoelektrik Dominance

Derin okyanus karanlık, soğuk ve muazzam baskı altında. Güneş enerjisi mevcut değildir ve termoelektrik yüksek basınç ve korelasyona dayanabilecektir: okyanuslar, dalga hareketi ve her bir pulbayanın neden olduğu iç basınç varyasyonları kullanan elektrik ve jöpürücüler idealdir, çünkü yüksek basınç ve aşındırıcı tuz sulara dayanabilecek kadar yumuşak bir robot oluştururlar.

Dış Uzay: Solar Plus Low-Power Operasyonları için Triboelektrik

Uzayda, güneş fotonların sürekli bir flux sağlar (~1.36 kW/m2 Dünya yörüngesinde). Yumuşak güneş hücreleri, yumuşak bir robotun tüm yüzeyini kaplayabilir, ancak vakum, aşırı ısılı bisiklet ve radyasyon, sağlam bir encaplar gerektirir. .Ay veya Martian yüzeyler için, güneşe birincil seçenek. ek olarak, triboelektrik hasatı, toz parçacıklarının mekanik hareketinden (örneğin, renoloth) veya robotun dağıtım mekanizmalarından yararlanılabilir.

Tehlikeli Afet Bölgeleri: Çok-Modal Atık

Deprem rubble, nükleer erime siteleri gibi afet bölgeleri, ya da çöktürülmüş mayınlar kaotik ve enerji-poor ortamlardır. Işık bloke edilebilir, termal gradientler öngörülemez, ancak mekanik titreşimler Aftershocks veya hareketli enkazlar yaygındır. Yumuşak robotlar, aşırı derecede sağlam ve sert bir şekilde kirli bir robota güvenemezler.

Anahtar Zorluklar ve Gelişen Çözümleri

On yıllar süren ilerlemeye rağmen, yumuşak robotlardan önce birkaç temel zorluk, genişletilmiş görevler için sadece hasat edilen enerjiye güvenebilir.

Enerji Depolama ve Güç Yönetimi

Sulanan güç genellikle geçici olarak tükenme ve düşük. Soft robotlar verimli depolamaya ihtiyaç duyar - vücutla esnek hale gelen sağlam elektrolitler ve karbon-nanotube elektrolitler.Mevcut esnek süper kapasitetörlerin kendilerini ve 10-20 Wh /kg'ın altında değişken girişlerini ele geçirebilmeleri gerekir.

Malzeme Durability ve Fatigue

Yumuşak robotlar milyonlarca döngüyü tekrarladı. Piezoelektrik seramikleri çatlakları, triboelektrik tabakaları yıprandı ve 100 tane ek olarak çıktıktan sonra çıktısını koruyan bir kendiliğinden glozoelektrikli kompozitler ve dinamik kovalent tahvilleri, bazı malzemeleri mikrokracaları bağımsız olarak onarıma olanak sağlar.

Gerçekçi Koşullar

Lab testleri nadiren gerçek dünya koşullarını eşleştirir. Örneğin, TENG performans yüksek nemde keskin bir şekilde düşer; PV hücreleri yüksek sıcaklıklarda verimlilik kaybeder; lazoelektrik hasatçıları, elektrik yüklerini çevresel sensörlere göre optimize ederek en verimlidir. Araştırmacılar, frekanslara yanıt veren değişken sertlik malzemeleri geliştiriyorlar - ve çoklu rezonans modlarını kullanan genişleyen genişleyen genişleyen genişleyen genişleyen makineler.

Future Yol ve Outlook

Yumuşak robotlar için enerji hasat geleceği, entegrasyon ve istihbarat içinde yatıyor. Multi-modal hasatçılar güneş, triboelektrik ve aynı substrat üzerindeki pastazoelektrik elementleri aynı substratta standart hale gelecektir, robotların enerji kaynakları arasında geçiş yapmasına izin verir. Soft robotlar enerji-ayön sistemleri olarak, her bileşeni güç üretimine katkıda bulunanlar: cilt hasat ışığı, kas hareketi ve iç yapı depoları, enerji tasarrufu ve iç yapı depoları, yapısal bir süper kapasite olarak enerji depoları.

Baskılanabilir elektronikteki ilerlemeler, hasatlıların, rulo-toplama süreçleri kullanarak ucuza üretilebileceğini, maliyetleri azaltıp tek kullanımlık yumuşak robotları çevresel temizlik için mümkün olduğunca iyi bir şekilde yeniden yapılandırabileceğini ifade eder. Başka bir heyecan verici yön, ancak teorik sınırlar robotun kendi lokomotion'dan daha fazla mümkün olduğunu göstermektedir - robotun kendi hareketi kendisi için ödeme yapar.

Son olarak, enerji hasat, Dünya'daki (veya Avrupa'da) uzun ve zorlu iletişim teknolojilerinin yeni bir sınıfını sağlayacak ve sanal kaynakların yakınlaştırılması, bu olasılıkların hızlanması, derin deniz hatlarının incelenmesi, Dünya'daki yaşamın araştırılması ve felaket bölgelerindeki esnek iletişimin sağlanması.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Enerji üretimi sadece yumuşak robotlar için bir aksesuar değildir - uzak ve ulaşılamaz ortamlarda uzun vadeli dağıtım için ön bir ön koşuldur. Piezoelektrik, triboelektrik ve güneş hasatları zaten bu zorluklarla ilgili olarak, yumuşak robotlar, ve biyohybridel yöntemler, dünyanın her yerinden bağımsız olarak, birçok teknikte, depolama yoğunluklarını geliştirmek ve kırılmadan çok daha derin koşullarda hayatta kalabilen malzemeler geliştirmek için anahtardır.