“复古”高科技：蒸汽动力机器人可以轻松爬行、抓握和攀爬

这个创新的系统使用蒸汽来创造简单、可扩展且功能强大的运动。

葡萄牙研究人员开发出一种强大的技术，只需用水和热就能让软机器人产生运动，这为传统系统提供了一种更安全、更高效、更容易扩展的替代方案。

据报道，这一突破是由科英布拉大学的科学家设计的相变致动器，它重新启用了一种长期被忽视的方法，即利用水的液气转换作为无约束电动软机器人的驱动力。

传统的设计依赖于重型气动和专用部件，而创新的系统有一个内置的加热元件来烧开水，产生蒸汽，加压并精确驱动软结构。

研究小组表示，该驱动器仅在24伏的电压下运行，就能产生超过50牛顿（N）的力，并以每秒高达100千帕（kPa）的速度产生压力。

水蒸气与电力相遇

研究人员强调，与传统的软机器人系统不同，这种方法的真正优势在于它的简单性，因为它利用了一个简单的过程来实现强大的机械性能。

“加热元件与流体直接接触，以减少两者之间的热阻，”他们说。“此外，电力通过内部导体直接连接到加热元件，这简化了整个驱动系统，避免了无线电力传输带来的损失。”

为了开发这项技术，该团队放弃了早期的相变驱动尝试，其中许多尝试都在缓慢的应变速率和机械退化方面苦苦挣扎。因此，通过专注于传热、流体选择和控制优化，他们能够克服长期以来阻碍类似技术的局限性。

尽管水的蒸发焓相对较高，在华氏212度（100摄氏度）时约为540卡/克，但研究人员将其作为耐久性的衡量标准，证明了通过正确的设计，即使是高能转变也可以有效地利用。

因此，他们使用硅弹性体和水制成的致动器实现了每秒16.6%的应变率，并在一千多个驱动周期中保持稳定。

重新定义运动

执行器的模块化设计是另一个关键的进步，因为将加热元件、流体室和外部软壳分开，使团队能够创建一个适应各种类型运动的多功能平台。

采用标准3D打印和铸造技术制造，线性执行器遵循McKibben设计，而弯曲执行器的灵感来自快速气动网络（fPN）结构。根据研究人员的说法，这两种方法都是低成本且易于繁殖的。

该团队进一步实施了非线性控制算法来稳定沸腾过程，解决了由过冷沸腾引起的机械不稳定性，并确保了在实际使用中平稳、可靠的驱动。

为了测试这一设计，研究人员建造了三个原型，包括一个具有线性驱动器的仿生手，用于平滑操作，一个柔软的抓手，用于处理不规则物体，如水果，以及一个四足机器人，它可以通过抓-拉循环爬上管道和树干，称为“Bixo”。

通过局部加热和冷却执行器控制，Bixo能够在25秒内完成运动周期，而不依赖于栓系泵或危险材料。

该团队现在专注于提高冷却效率，进一步小型化系统，增加压力输出，他们相信这可以解锁更快的响应时间，更大的力量，并在现实世界的机器人任务中得到更广泛的应用。

这项研究发表在《自然》杂志上。

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