中国学者变革300多年来的活塞!MIT、哈佛联手,动力3倍以上,可节能40%

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 来源:机器人大讲堂


导读

麻省理工学院(MIT)和哈佛大学的研究团队合作设计出了一种使用柔性材料的新型活塞,动力是传统活塞的3倍以上,且最多可节能40%。这种柔性活塞有望从根本上改变汽车发动机、机械臂、起重机、减震器和采矿设备等系统的设计方式。




活塞是在我们日常生活中普遍存在的装置,是一种基础机械零件。传统的活塞结构中,刚性的活塞紧贴在缸体内壁上前后运动,动力来自活塞两端液体或气体的压力差异,但活塞与缸体间的摩擦力常导致密闭性变差等问题,能耗和反应速度也受到影响。


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近日,哈佛大学Wyss生物启发工程研究所,哈佛John A.Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和麻省理工学院(MIT)的机器人专家团队开发了一种新的方法来设计活塞。研究人员将可压缩折叠的活塞结构置于密封的柔性膜中,以替代传统的刚性活塞,这种柔性活塞无需与缸体接触,从而消除了大量摩擦力。由此产生的“张力活塞”产生的力是传统活塞的三倍以上,在低压下能效高达40%。该研究发表在Advanced Functional Materials上。


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这项研究由 MIT 的中国博士后研究员李曙光、哈佛大学的罗伯特·伍德(Robert Wood)教授和 MIT 计算机科学与人工智能实验室主任丹妮拉·鲁斯(Daniela Rus)教授共同主持。



李曙光表示,将这种柔性活塞放在注有液体或气体的缸体中,当膜外的液体或气体的压力增加时,柔性薄膜材料的张力会随之增加,将力直接传导到这种柔性活塞的可压缩骨架结构上,从而驱动缸体外的活塞杆运动。这种新型“张力活塞”结构可输出巨大的驱动力,数倍于传统活塞结构,能耗也更低。

 

据DeepTech报道,在柔性机器人领域,李曙光的研究重点是如何应用柔性材料(硅胶、泡沫或纺织物等),或者制备特殊的柔性复合材料来实现原本机器人没有的功能,以便机器人可以更安全地与人交互。在柔性机器人研究领域,最为关键的两点分别是新型驱动器和传感器的设计。柔性机器人的驱动器研究则涉及使用何种材料来制造,是选择电动、气动还是液压驱动等问题。李曙光目前专注于气动领域,想办法如何使用压缩空气来驱动“人工肌肉”。

 

由于新型活塞不会与缸体接触,不存在摩擦损耗,所以在低压条件下可以快速响应,其能量转换效率可比传统活塞高出约40%。



在耐久性测试中,在固定载荷条件下,新型活塞连续进行了19 个小时的循环测试,往复驱动超过一万次。


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图 | 耐久性循环试验的实验装置和结果:a. 实验装置;b. 重复精度测试;c.耐久性 (来源:李曙光)

 

由于材料及粘结方式的限制,如何能在高温、高温下使用这种新型活塞,也是研究重点之一。目前研究人员已经找到了几种适合的、可以耐高温高压的柔性复合材料。

 


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图 | 不同骨架结构设计的新型活塞:传统运动模式、完全“柔性”模式,以及可旋转运动模式(来源:李曙光)

 

此外,这制备这种新型活塞的过程中并没有使用前沿的新型材料,而是通过对各种常见材料的组合设计而成。所以和传统活塞相比,成本不会显著增加,活塞也更加轻量化。

 

麻省理工学院电气工程和计算机科学教授丹妮拉·鲁斯说,这种表现更好的活塞有望从根本上改变汽车发动机、机械臂、起重机、减震器和采矿设备等系统的设计方式。

 

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201901419

参考:

https://wyss.harvard.edu/pistons-are-muscling-up/

https://www.csail.mit.edu/news/reinventing-piston


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