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避免機器過熱 康乃爾大學開發會流汗機器人

康乃爾大學研究團隊從哺乳動物的自體冷卻系統獲得靈感,打造出會自己流汗的軟性機器人。Cornell University

正當似乎還沒有技術可以讓機器人自體散熱的時候,康乃爾大學(Cornell University)研究團隊打造一種軟性機器人肌肉,可透過出汗來調節溫度。

據The Robot Report報導,機械與航太工程學系副教授Rob Shepherd指導了發表在科學期刊《Science Robotics》上一篇題為〈Autonomic Perspiration in 3D Printed Hydrogel Actuators〉的論文,他表示,自體出汗的熱能管理背後的運作形式是一種基本建構塊(Basic Building Block),可確保不接線的高功率機器人在長時間運作下不會過熱。

Shepherd說,製造持久、適應性強又敏捷的機器人,障礙就是控制機體內部溫度,如果提供動力的引擎過熱,就會導致機器人停止運行。

特別是用合成材料製成的軟性機器人,雖具更高的柔軟度,但犧牲了金屬能夠迅速散熱的特性。就算是風扇之類的內部冷卻技術也沒有太大幫助,可能只會佔用機體內部空間並增加重量。

於是,Shepherd團隊從生物學得到了靈感。該團隊的共同作者,同樣也是Facebook Reality Labs科研家的T.J. Wallin表示,哺乳動物流汗時會利用蒸發掉的水分來迅速散熱,且可以將體溫調節至低於環境溫度。

該團隊還與工程學教授Emmanuel Giannelis的實驗室合作,透過多材料光固化立體造型(Stereolithography)3D列印技術,用光將樹脂固化成事先設計好的形狀,來打造機器人流汗所需的奈米聚合物材料,該複合材料使研究人員能夠控制液體的黏性與流量。

研究人員製造了由2種水凝膠(Hydrogel)材料組成的手指形狀致動器,可以吸水並感應溫度,其效用就好比一塊「智慧」海綿。

「手指」的基底遇熱達攝氏30度以上,就會透過收縮將水分擠壓到表層,表層上面則有微米大小的氣孔。這些氣孔到達一定溫度就會自動膨脹釋放「汗液」,然後在降溫到攝氏30度以下時閉合。

研究人員發現,這個蒸發冷卻過程可在30秒內讓致動器表面溫度降低攝氏21度,效率約為人體3倍。比起用風扇去吹,冷卻速度大約快了6倍。

Wallin表示,最好的是調節熱量的效能取決於材料本身,而不需仰賴感測器或其他零組件來控制出汗率。超過轉變溫度時,「毛孔」便會自行開放或閉合。

然而,該技術的缺點是可能會阻礙機器人移動能力,仍需考慮到機器人補充水分的問題。Shepherd設想,軟性機器人是否可能有朝一日不僅能像哺乳類一樣流汗,還可以喝水。Shepherd認為,未來若要製造更多仿生材料和機器人,將取決於材料的組成,顯示在這領域進行跨學科研究有其重要性。


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