帶有集成介電彈性體傳感器的充氣空間機(jī)器人

奧克蘭生物工程研究所和德累斯頓工業(yè)大學(xué)的研究人員最近設(shè)計(jì)了一種用于空間導(dǎo)航的新型充氣機(jī)器人。這些機(jī)器人在SPIE數(shù)字圖書館發(fā)表的論文中提出，是使用介電彈性體傳感器(DETs)制造的，這些傳感器基本上是由軟橡膠材料制成的電容器。

“目前的太空技術(shù)受到其質(zhì)量和體積的限制。即使一公斤進(jìn)入軌道也要花費(fèi)數(shù)千美元，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一約瑟夫阿什比告訴TechXplore。“我們的研究旨在用更輕的智能材料替代品和充氣結(jié)構(gòu)替代或增強(qiáng)現(xiàn)有技術(shù)。”

如果它們與充氣結(jié)構(gòu)集成在一起，DETs可以幫助開發(fā)軟質(zhì)和低質(zhì)量的機(jī)器人，這些機(jī)器人具有高包裝效率并且易于部署。實(shí)際上，由于電場(chǎng)產(chǎn)生的麥克斯韋應(yīng)力，DETs在施加電壓時(shí)會(huì)變形。

與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)不同，這些電容器使研究人員能夠產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)和力，而無需復(fù)雜，重型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過監(jiān)測(cè)它們被拉伸時(shí)的電容變化，DET也可以用作應(yīng)變傳感器。這意味著它們還具有自我感知優(yōu)勢(shì)，而無需外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

“由于它們完全由柔軟材料制成，DET結(jié)構(gòu)可以與氣球類似地充氣，”Ashby解釋說。“這意味著它們可以在部署時(shí)形成大型結(jié)構(gòu)，但可以預(yù)先打包到小空間，這使得它們成為太空應(yīng)用的理想選擇，其中發(fā)射能力受到限制。”

在他們的研究中，Ashby和他的同事們研究了三種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)作。在第一個(gè)設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的圓頂驅(qū)動(dòng)器由一塊帶有分段電極的硅橡膠制成。

第二種設(shè)計(jì)是類似的，但隨著穹頂致動(dòng)器的伸長(zhǎng)，以便通過分段的相位致動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。最后，第三種是滾動(dòng)圓柱形設(shè)計(jì)，其接縫幾何形狀，電極位置和成分各不相同，這使研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)多種共振和非共振運(yùn)動(dòng)。

“大規(guī)模地，通過允許從低質(zhì)量，低容量的運(yùn)載火箭部署能夠移動(dòng)和/或自我結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大型結(jié)構(gòu)，我們將能夠擴(kuò)展我們的太空探索能力，”Ashby說。“在較窄的焦點(diǎn)上，給予較小的衛(wèi)星(越來越受歡迎)，部署和控制天線或陣列的機(jī)會(huì)將會(huì)大大改善其通信和電力設(shè)施。”

Ashby和他的同事使用市售的FEM軟件對(duì)他們的每個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了建模，然后在模擬中對(duì)它們進(jìn)行了充氣和驅(qū)動(dòng)測(cè)試。盡管他們的實(shí)驗(yàn)取得了可喜的成果，但機(jī)器人仍處于發(fā)展的早期階段。

由于他們的技術(shù)成為當(dāng)前空間執(zhí)行器的可行替代方案，研究人員仍然需要克服許多關(guān)鍵挑戰(zhàn)。例如，由于許多復(fù)雜的環(huán)境條件，迄今為止證明在空間中DET的操作是不切實(shí)際的。

“我們現(xiàn)在計(jì)劃繼續(xù)開發(fā)我們現(xiàn)有的原型，同時(shí)也為各種不同的應(yīng)用探索其他可能的設(shè)計(jì)，”Ashby說。“我們還在努力開發(fā)屏蔽方法，以保護(hù)我們的機(jī)器人免受惡劣空間環(huán)境的影響。”