Al imaginarse 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, ingenieros de la Universidad Rice han demostrado que algo tan simple como el flujo de aire a través de una estructura similar a una malla de espuma de celda abierta puede usarse para computación digital, detección analógica y control combinado digital-analógico en sistemas portátiles basados en textiles blandos. se puede utilizar para realizar .
“En este trabajo, integramos la inteligencia material (la capacidad de los materiales para comprender y responder a su entorno) con una lógica impulsada por circuitos basada en el flujo de fluidos a través de espumas blandas utilizando un método simple”, dijo el asistente Daniel Preston. Profesor de Ingeniería Mecánica y autor correspondiente de un estudio sobre investigación publicado en 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 mediante la adición. Estas arquitecturas tradicionales se basan en puertas lógicas interconectadas: los 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 inicial no se basó en las propiedades intrínsecas de los materiales blandos para maximizar la eficiencia del diseño de circuitos.
“Cuanto más compleja es la tarea u operación, más puertas lógicas se necesitan”, explicó Preston.
En las aplicaciones, esto puede traducirse en dispositivos más pesados, más caros, más difíciles de construir y más susceptibles a fallas. Para solucionar este problema, los investigadores descubrieron cómo utilizar la diferencia de presión creada por el aire que fluye a través de orificios microscópicos en las láminas de espuma para realizar cálculos neumáticos complejos con mayor economía de diseño de circuitos y funciones de control.
“Aquí, mostramos que las propiedades de los propios materiales blandos, como la esponjosidad o la porosidad de las láminas de espuma, se pueden utilizar para lograr funciones de control de fluidos, como la fuerza aplicada por el usuario, detectar la cantidad o convertir señales de presión digitales en señales analógicas, lo que reduce la dependencia de las puertas lógicas fluídicas y simplifica la operación”, dijo Anup Rajpan, autor principal del estudio e investigador científico en Rice. Durante el proyecto.
A diferencia de los líquidos, la densidad del aire cambia con la presión, lo que complica más el modelado del flujo de aire a través de láminas de espuma. Sin embargo, los investigadores afrontaron el desafío de frente.
“Desarrollamos un marco teórico para analizar el flujo de gas a través de materiales porosos, desarrollamos nuevas técnicas experimentales para medir las propiedades fluidas de las espumas y, finalmente, la fluidez de las espumas con fuerza aplicada”, dijo Rajpan, desarrolló un modelo para cambios en la resistencia.
Los investigadores diseñaron resistencias fluídicas a base de espuma, dispositivos que limitan el flujo de aire en los circuitos neumáticos, de forma muy parecida a como las resistencias electrónicas limitan 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 aprovechar las propiedades fluidas de los materiales blandos como la espuma, podemos crear robots blandos confiables y suaves y dispositivos portátiles accionados neumáticamente que transportan componentes pesados y voluminosos, como motores y baterías. Menos dependencia de componentes pesados o rígidos”, dijo Rajpan. “Los dispositivos robóticos portátiles, por ejemplo, pueden ayudar a los usuarios con limitaciones de movilidad, y fabricar dispositivos portátiles a partir de textiles y alimentarlos con aire comprimido los hace cómodos, puede hacerlos livianos, rentables y fáciles de usar”.
Además de Preston y Rajpan, otros autores del estudio incluyen a Jane Liu, Faye Yap y Ravind Rashid. Rajpan, Liu y Yap aceptaron ofertas de cátedras asistentes permanentes en la Universidad de Tulane, la Universidad de Texas en Dallas y la Universidad de Hawaii, respectivamente. Rashid es el director ejecutivo de Helix Earth Technologies, una startup que surgió del laboratorio de Preston.
“Nuestro trabajo en Rice está haciendo contribuciones reales en múltiples sectores, y me complace ver que muchos de nuestros estudiantes continúan haciéndolo en la academia, la industria e incluso en sus propias empresas después de capacitarse en nuestro programa”, dijo Preston.
La investigación contó con el apoyo de la Rice Academy of Fellows, el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0014664), la Joint Instruments Authority de Rice y la Fundación Nacional de Ciencias (CMMI-2144809).
