Прорыв, опубликованный в Science Advances и объявленный на этой неделе, демонстрирует, как магнитные поля могут служить двойной цели в мягкой робототехнике — управлять движением и одновременно стабилизировать электрохимические реакции внутри гибких батарей.
Магнитная инновация двойного назначения
Доцент Ву Чаншэн и его команда разработали гибкие цинково-марганцево-диоксидные батареи, заключенные в мягкий силикон и расположенные вертикально внутри корпуса робота. Магнитные поля, создаваемые собственными ферромагнитными приводами робота, стабилизируют внутреннюю химию батареи, уменьшая рост дендритов — игольчатых металлических отложений, вызывающих короткие замыкания, — и поддерживая энергетическую мощность при повторяющихся нагрузках и изгибах.
«Магнитные поля обычно используются для стимулирования движения мягких роботов в процессе, называемом "актуацией", но мы поняли, что они также могут стабилизировать электрохимические реакции внутри гибких батарей», — объяснил Ву. При магнитном усилении батареи сохранили 57,3% своей емкости после 200 циклов, что почти вдвое больше, чем у неусиленных образцов.
Аспирант Сяо Сяо, соавтор исследования, объяснил, что сила Лоренца, создаваемая магнитным полем, перенаправляет траектории ионов цинка во время осаждения, создавая более равномерный поток ионов, который способствует равномерному осаждению цинка на аноде. Одновременно магнитное поле выравнивает спины электронов внутри решетки оксида марганца, укрепляя атомные связи и предотвращая деградацию кристаллов.
Автономная Водная Навигация
Робот продемонстрировал способности к автономному принятию решений в водной среде. При встрече с препятствиями бортовые инерциальные датчики обнаруживали внезапные изменения ускорения, побуждая систему управления корректировать ориентацию и прокладывать новый маршрут. Робот успешно проходил через узкие проходы благодаря регулировке положения тела и выполнял развороты на 180 градусов при встрече с непреодолимыми препятствиями. Алгоритмы обратной связи быстро корректировали отклонения по углам рыскания, тангажа и крена, вызванные волнами или физическим контактом.
Стратегия вертикальной интеграции позволила гибким батареям покрыть 44,9% поверхности тела робота при сохранении жёсткости на изгиб 0,348 Н мм⁻¹, что обеспечило необходимую податливость. Робот передавал данные в реальном времени на компьютер, который визуализировал его движения в среде цифрового двойника.
В перспективе исследователи планируют встроить миниатюрные ультразвуковые датчики и химические детекторы для мониторинга качества воды. Работа проводилась в сотрудничестве с Университетом Цинхуа, Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе и Дартмутским колледжем.
( B ) Схема мягкого робота, вдохновленного скатом манта, демонстрирующая вертикальную интеграцию приводов из магнитного эластомера, гибких батарей Zn-MnO 2 и гибких гибридных схем для синергетического передвижения, энергоснабжения и восприятия.
( C ) Механизм магнитоэлектрохимического усиления: магнитное поле ферромагнитного эластомера подавляет как рост дендритов Zn, так и ухудшение состояния катода MnO 2 в бортовой батарее.
( D ) Сравнительное сохранение емкости гибких батарей Zn-MnO 2 после 200 циклов с магнитным полем и без него. Полоса погрешностей указывает стандартные отклонения на основе данных пяти независимых образцов.
( E ) Сравнение прогиба и жесткости деформации законцовки крыла ( K s ) под воздействием манипулирующих магнитных полей на этапах интеграции: (1) без нагрузки, (2) с гибкими батареями, (3) с неоптимизированной печатной платой и (4) с оптимизированной гибкой гибридной схемой. Погрешность показывает среднеквадратичное отклонение (СКО) по данным пяти независимых выборок.
( F ) Демонстрация воплощенного интеллекта посредством обхода препятствий и коррекции возмущений с помощью цифрового двойника.
Комментарий редакции блога
College of Design and Engineering (CDE) является неотъемлемой частью National University of Singapore (NUS), образованной в 2022 году слиянием Faculty of Engineering и School of Design and Environment.
(Могли возникнуть вопросы:)
Комментариев нет:
Отправить комментарий