Zachte aandrijving met stoom: Robotica met faseverandering

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Coimbra heeft een innovatieve zachte actuator ontwikkeld die gebruikmaakt van een faseverandering – de overgang van water van vloeistof naar gas – om mechanische beweging op te wekken. Deze actuator levert zowel een hoge kracht als precisie.

Traditionele elektrische actuatoren vereisen complexe tandwielsystemen om de kracht van een elektromotor voldoende te verhogen voor gebruik in robots. Zulke systemen bevatten veel kwetsbare onderdelen. Pneumatische alternatieven zijn vaak luidruchtig en vervuilend. Daarom ontwikkelden de onderzoekers een alternatief dat stil, nauwkeurig en krachtig werkt: de faseveranderingsaandrijving.

De actuator gebruikt een kleine spoel als verwarmingselement om water in stoom om te zetten. De resulterende druk zet een zachte, flexibele structuur in beweging, waarmee een robot aangedreven kan worden. Het systeem werkt al bij een spanning van slechts 24 volt. Volgens de studie “Electrically-driven phase transition actuators to power soft robot designs”, gepubliceerd in Nature Communications, genereert de actuator meer dan 50 Newton aan kracht met druksnelheden tot 100 kilopascal per seconde.

Een demonstratievideo laat het werkingsprincipe van de actuator zien, evenals toepassingen ervan in zachte robotica. Tijdens de ontwikkeling stuitten de onderzoekers op diverse uitdagingen: lage vervormingssnelheden, onvoldoende prestaties en een te complex ontwerp. Daarom richtten ze zich op drie kernaspecten: de keuze van de vloeistof, efficiënte warmteoverdracht en een eenvoudige aansturing.

Als werkvloeistof kozen de onderzoekers al snel voor water, vanwege de goede thermodynamische efficiëntie, veiligheid en beschikbaarheid. Toch heeft water ook een nadeel: de verdampingswarmte – de hoeveelheid energie die nodig is om vloeibaar water in damp om te zetten – is relatief hoog. Hoewel er vloeistoffen bestaan met gunstiger verdampingseigenschappen, blijft water vanwege de veiligheid de voorkeur houden.

De actuatoren zijn vervaardigd uit een siliconenelastomeer. Daarmee behaalden de onderzoekers rekpercentages tot 16,6 procent per seconde. Zelfs na meer dan 1000 cycli bleef de prestatie van het systeem stabiel.