Al imaginar dispositivos portátiles y robótica de próxima generación, probablemente la espuma que llena los cojines del sofá no sea lo primero que le viene a la mente.
Sin embargo, los ingenieros de la Universidad Rice han demostrado que algo tan simple como el flujo de aire a través de espuma de celda abierta se puede utilizar para realizar cálculos digitales, detección analógica y control combinado digital-analógico en sistemas portátiles basados en textiles blandos. .
“En este trabajo, integramos la inteligencia material (la capacidad de los materiales para percibir y responder a su entorno) con una lógica impulsada por circuitos utilizando un método sorprendentemente simple basado en el flujo de fluido a través de espuma suave”, dijo Daniel Preston, profesor asistente de Ingeniería mecánica. Autor correspondiente en un estudio sobre profesores e investigaciones publicadas. Materiales funcionales avanzados.
Los circuitos lógicos neumáticos en robots de cuerpo blando y dispositivos portátiles se han diseñado tradicionalmente de manera que reflejan los circuitos electrónicos, es decir, conectando componentes individuales como resistencias, condensadores, diodos y compuertas a través de interconexiones. Estas arquitecturas convencionales se basan en puertas lógicas interconectadas: componentes básicos de los sistemas digitales que convierten una o más entradas en una única salida.
En trabajos anteriores, el Laboratorio de Innovación de Preston desarrolló un método para el control sin electrónica de dispositivos textiles portátiles utilizando circuitos lógicos neumáticos. Sin embargo, este enfoque básico no se basa en las propiedades inherentes de los materiales blandos para maximizar la eficiencia del diseño de circuitos.
“Cuanto más compleja sea una tarea u operación, mayor será el número de puertas lógicas”, explicó Preston.
En las aplicaciones, esto puede traducirse en dispositivos más pesados, más caros y más difíciles de fabricar, y más susceptibles a fallar. Para solucionar el problema, los investigadores descubrieron cómo utilizar las diferencias de presión creadas por el aire que fluye a través de orificios microscópicos en la lámina de espuma para realizar cálculos neumáticos complejos y tareas de control con una mayor economía en el diseño del circuito.
“Aquí mostramos que las propiedades inherentes de los materiales blandos, como la esponjosidad o la porosidad de las láminas de espuma, se pueden utilizar para lograr tareas de control de fluidos, como detectar la cantidad de fuerza aplicada por el usuario o convertir señales de presión digitales en señales analógicas. , lo que da lugar a puertas lógicas fluídicas que reducen la dependencia y simplifican las operaciones”, afirmó Anoop Rajappan, autor principal del estudio e investigador científico de Rice durante el proyecto.
A diferencia de los líquidos, la densidad del aire varía con la presión, lo que complica el modelado del flujo de aire a través de láminas de espuma. Aún así, los investigadores se han enfrentado a desafíos.
“Desarrollamos un marco teórico para analizar el flujo de gas a través de materiales porosos, desarrollamos nuevas técnicas experimentales para medir las propiedades del fluido de espuma y, finalmente, desarrollamos un modelo para el cambio en la resistencia del fluido de espuma con la fuerza aplicada”, dijo Rajappan.
Los investigadores diseñaron resistencias líquidas a base de espuma, dispositivos que restringen el flujo de aire, de forma muy parecida a como las resistencias electrónicas restringen el flujo de corriente en los circuitos electrónicos. Las resistencias se pueden utilizar para crear circuitos lógicos neumáticos bidimensionales que se pueden integrar en dispositivos portátiles textiles.
“Al rediseñar los componentes del circuito, como las resistencias, para explotar las propiedades fluidas de los materiales blandos como la espuma, podemos crear robots blandos confiables y flexibles y dispositivos portátiles impulsados aerodinámicamente que dependan menos de componentes pesados, voluminosos o rígidos como motores y baterías”, dijo Rajappan. “Por ejemplo, los dispositivos robóticos portátiles pueden brindar asistencia a usuarios con limitaciones de movilidad, y los dispositivos portátiles hechos de textiles y impulsados por aire comprimido pueden hacerlos cómodos, livianos, de bajo costo y discretos para el usuario”.
Además de Preston y Rajappan, otros autores del estudio incluyen a Zhen Liu, Faye Yap y Rawand Rashed. Rajappan, Liu y Yap han aceptado cátedras asistentes permanentes en la Universidad de Tulane, la Universidad de Texas en Dallas y la Universidad de Hawaii, respectivamente. Rashed es el director ejecutivo de Helix Earth Technologies, una startup nacida del laboratorio de Preston.
“Nuestro trabajo en Rice está haciendo contribuciones reales en múltiples áreas, y estoy encantado de que muchos de nuestros estudiantes, después de capacitarse en nuestro programa, hayan pasado a hacerlo en la academia, la industria e incluso en sus propias empresas”, dijo Preston. .
La investigación contó con el apoyo de Rice Academy Fellows, el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0014664), la Rice Shared Equipment Authority y la National Science Foundation (CMMI-2144809).