In der Welt der weichen Robotik und der tragbaren Technologie revolutionieren flüssige Geräte auf Blechbasis, wie leicht, flexible und multifunktionale Systeme ausgelegt sind. Aber mit Innovation kommen Herausforderungen, insbesondere beim Verständnis und zur Kontrolle des Misserfolgs in diesen Geräten. In einer neuen Studie von Maschinenbauingenieuren an der George R. Brown School of Engineering and Computing der Rice University wird untersucht, wie programmiertes Versagen in hitzebeiernden, basierenden Systemen verwendet werden kann, um Geräte zu schützen, eine komplexe Sequenzierung von Aktionen zu ermöglichen und sogar die Steuerungsmechanismen zu rationalisieren.
„Einfach gesagt, wir machen weiche, flexible Maschinen intelligenter, indem wir ihre internen Komponenten so entwerfen, dass sie absichtlich gut verstanden“, sagte Daniel J. Preston, korrespondierender Autor und Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Dabei können sich die resultierenden Systeme von Druckfluten wiederherstellen und sogar mehrere Aufgaben mit einem einzelnen Steuereingang ausführen.“
Die Forschung, veröffentlicht in Zellberichte meldet Physikalische WissenschaftKonzentriert sich darauf, wie dünne, flexible Blätter – strukturiert und selektiv gebunden sind, um interne fluidische Netzwerke zu bilden – auf Druckänderungen und insbesondere wie sie versagen, wenn interne Drucke zu hoch werden. Durch die Untersuchung der Adhäsion zwischen Textilblättern konnte das Forschungsteam den maximalen Betriebsdruck vorhersagen und feststellen, wie Faktoren wie Bindungsgeometrie und die Leistung der Materialauswahl die Leistung beeinflussen.
„Unsere Studie bietet einen Rahmen für die Vorhersage und Nutzung des Versagens in flüssigen Flüssigkeitssystemen“, sagte Sofia Urbina, der Co-First-Autor der Studie, Doktorand im zweiten Jahr im Labor von Preston und GEM Associate Fellow. „Anstatt Misserfolg als Einschränkung zu betrachten, haben wir untersucht, wie es zur Verbesserung der Funktionalität verwendet werden kann und diese Geräte intelligenter und effizienter werden.“
Durch strenge Tests, einschließlich T-Peel-Tests zur Bewertung von Adhäsionsstärke und Burst-Tests zur Bewertung des Versagens bei erhöhten Drücken Temperatur, ein Plateau, auf dem die Materialfestigkeit zusammenhängender Versagen vorschreibt, und eine dritte Phase, in der eine Überhitzung während der Herstellung die Materialintegrität beeinträchtigt.
Diese Ergebnisse ermöglichten es den Forschern, eine neuartige „fluidische Sicherung“ zu konstruieren – eine Schutzkomponente, die auf mehreren Bindungen mit unterschiedlichen Stärken beruht und so kontrolliert ist, dass sie kontrolliert scheitern, um Schäden durch Druckspitzen zu verhindern. Diese Komponente, so die Forscher, sei eines der aufregendsten Ergebnisse der Studie.
„Denken Sie daran wie eine elektrische Sicherung“, sagte Preston. „Wenn der Druck eine festgelegte Grenze überschreitet, ist die Sicherung ‚blasen‘, die katastrophale Schäden am gesamten System verhindert. Diese flüssige Sicherung kann zur Wiederverwendung leicht ersetzt oder sogar neu ersetzt werden.“
Über den Schutz hinaus zeigte das Team, dass diese Sicherungen strategisch platziert werden könnten, um mehrere Aktionen innerhalb eines Geräts zu sequenzieren. In einem Experiment wurde beispielsweise ein System ausgelegt, um zuerst eine Glühbirne abzuschrauben und es dann aus einer Steckdose herauszuheben – alle mit einem einzelnen Druckeingang.
„Durch die Programmierung, wann und wo ein Fehler auftritt, können wir Geräte erstellen, die ihren Weg in neue Betriebsmodi“ versagen „und mehrere Aufgaben ausführen, ohne zusätzliche Steuereingänge zu benötigen“, sagte Preston.
Die Anwendungen für diese Ergebnisse gingen weit über das Labor hinaus. In der tragbaren Technologie könnten fluidische Netzwerke in Kleidung eingebettet werden, die Rehabilitationspatienten adaptiv unterstützt, Personen mit Mobilitätsstörungen und sogar mit unserem Touchgefühl kommunizieren. In der Robotik könnte die Fähigkeit, Aktionen mit einer einzelnen Eingabe zu sequenzieren, das Design multifunktionaler autonomer Systeme vereinfachen und die Notwendigkeit komplexer elektronischer Kontrollmechanismen verringern.
„Diese Forschung ermöglicht intelligentere, flüssige Geräte auf Blattbasis“, sagte Adam Broshkevitch, der gemeinsame Autor Adam Broshkevitch, der im vergangenen Frühjahr einen Master of Science in Maschinenbau abgeschlossen hat und jetzt in der Luftwaffe ist. „Indem wir das Versagen eher als Werkzeug als als Nachteil einnehmen, können wir Systeme erstellen, die nicht nur widerstandsfähiger, sondern auch fähiger sind.“
