Χρήση Ελατηρίων για Μείωση Κατανάλωσης Ενέργειας στη Ρομποτική

Μια ερευνητική προσπάθεια χρηματοδοτημένη από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών την περασμένη εβδομάδα παρέχει κάποιες πληροφορίες για το πώς τα ελατήρια θα μπορούσαν να κάνουν τους κινητήρες πιο αποδοτικούς στο μέλλον. Η μελέτη παρουσιάστηκε από δύο μηχανικούς μηχανικής, τους Erez Krimsky και Steven H. Collins. Στην έκθεσή τους, αναλύουν τα οφέλη ενός υβριδικού κινητήρα ελατηρίου πριν αποκαλύψουν ένα λειτουργικό πρωτότυπο.  Εδώ είναι ό,τι πρέπει να γνωρίζετε.

Γιατί τα Ελατήρια Θα Μπορούν να Είναι η Απάντηση

Τα ελατήρια μπορεί να φαίνονται μια απίθανη λύση για τη φθορά των κινητήρων ή την ανάγκη για τεράστια κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, ορισμένα μοναδικά χαρακτηριστικά κάνουν τα ελατήρια ιδανικά για αυτήν την εργασία. Για παράδειγμα, μπορούν να παράγουν ροπή χωρίς να απαιτούν ενέργεια.
Τα ελατήρια μπορούν να αποθηκεύουν ελαστική ενέργεια, όταν τεντώνονται, με σχεδόν μηδενική απώλεια. Αυτή η ελαστική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί άμεσα σε μηχανική δύναμη αποδοτικά. Επιπλέον, τα ελατήρια μπορούν να ρυθμιστούν ή να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό για να αυξήσουν ή να μειώσουν τη ροπή όταν απαιτείται.

Προκλήσεις που Πρέπει να Ξεπεραστούν

Υπήρξαν κάποιες διαισθητικές νοοτροπίες στο παρελθόν που αναγνώρισαν τη δυνατότητα των ελατηρίων να αποθηκεύουν και να μετατρέπουν ενέργεια. Ωστόσο, υπήρχαν ορισμένες ξεχωριστές προκλήσεις που έπρεπε να ξεπεραστούν για να πετύχουν αυτά τα παρελθόντα έργα. Κατ’ αρχάς, τα ελατήρια είναι φημισμένα για το πόσο δύσκολο είναι να ελεγχθούν.
Ναι, αν τραβήξετε ένα ελατήριο, θα επιστρέψει. Το πρόβλημα είναι η κατασκευή ενός ελατηρίου που θα επιστρέφει με τον ίδιο ρυθμό σε χιλιάδες ή εκατομμύρια χρήσεις. Συνεπώς, ένα από τα πρώτα πράγματα που έπρεπε να καταλάβουν οι μηχανικοί ήταν πώς να ελέγξουν τα ελατήρια που ήθελαν να ενσωματώσουν.

Νέος Σχεδιασμός Ελατηρίου

Μετά από λίγη συζήτηση, αποφάσισαν ότι απαιτείται ένας νέος σχεδιασμός. Δημιούργησαν μια εντελώς νέα ελαφριά ελαστική ρύθμιση ελατηρίου ενεργοποιούμενη από ενέργεια για το έργο. Αυτά τα ελατήρια είναι φτιαγμένα από ελαστικό υλικό που τεντώνεται κατά μήκος του πλαισίου. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα, το ελατήριο τραβάει πίσω και σφίγγεται. Αυτή η στρατηγική επέτρεψε στους προγραμματιστές να στοιβάξουν τέσσερα ελατήρια δίπλα-δίπλα.
Η χρήση πολλαπλών ελατηρίων προσθέτει επιπλέον ροπή και επιλογές ελέγχου στον κινητήρα. Οι χρήστες μπορούν να ενεργοποιήσουν ένα ή περισσότερα ελατήρια όταν αυξηθούν οι απαιτήσεις ισχύος. Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να δημιουργήσουν μια μικρή έκδοση του κινητήρα τους, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εμπορικές και ρομποτικές εφαρμογές στο μέλλον.

Το Πρωτότυπο – Ανακυκλικός Δραστηριοποιητής

Το επίσημο πρωτότυπο του παράλληλου ελαστικού κινητήρα ενεργοποιητή βρίσκεται ήδη στη φάση δοκιμών. Αυτό το μικροσκοπικό κινητήρα ενσωματώνει τέσσερα ηλεκτροστατικά ελατήρια που λειτουργούν παράλληλα. Αυτή η δομή επιτρέπει επίσης στον κινητήρα να αξιοποιεί τα ελατήρια για να μειώσει το φορτίο εργασίας, να προσθέσει ισχύ και να μειώσει τη μηχανική φθορά.

Τα Αποτελέσματα Δοκιμών Δείχνουν Υπόσχεση

Η αναφορά παρουσίασε εντυπωσιακά αποτελέσματα δοκιμών από το πρωτότυπο. Οι προγραμματιστές έθεσαν τον ενεργοποιητή σε πολλαπλές κυκλικές δοκιμές για να εκτιμήσουν τις επιδράσεις των ελατηρίων στη συσκευή. Από την αρχή έγινε σαφές ότι τα ελατήρια βελτίωσαν σημαντικά την αποδοτικότητα.
Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι οι προγραμματιστές διαπίστωσαν ότι τα ελατήρια λειτουργούν όπως ένα κιβώτιο ταχυτήτων σε έναν κινητήρα, επιτρέποντας την αλλαγή ταχυτήτων για περισσότερη ροπή. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά κιβώτια ταχυτήτων που απαιτούν μηχανικά συμπλέγματα για την αλλαγή της ροπής, αυτή η διαρρύθμιση ενσωματώνει αβίαστα ηλεκτρικά συμπλέγματα που ενεργοποιούνται όταν χρειάζεται.

Ηλεκτρο-Κολλητικά Συμπλέγματα

Η χρήση ζευγών ηλεκτρο-κολλητικών συμπλεγμάτων για να κρατούν τα ελατήρια κλειδωμένα με τάση ήταν μια σημαντική καινοτομία. Αυτά τα συμπλέγματα κατασκευάστηκαν όσο το δυνατόν πιο λεπτά για να μειώσουν το βάρος. Είναι επικαλυμμένα με διηλεκτρικό υλικό και μπορούν να περάσουν χωρίς τριβή όταν δεν είναι φορτισμένα. Σημαντικό είναι ότι τα συμπλέγματα κλειδώνουν όταν εφαρμόζεται τάση.
Αυτό το είδος ηλεκτρικού συμπλέγματος απαιτεί ελάχιστη ισχύ και παρέχει σχεδόν άμεση ανταπόκριση. Επιπλέον, προσφέρει υψηλή αποδοτικότητα σε σύγκριση με τις μηχανικές επιλογές και μπορεί να παραχθεί φθηνά. Αυτοί οι παράγοντες σημαίνουν ότι η χρήση τους σε ηλεκτροστατικούς κινητήρες ελατηρίου θα μπορούσε να γίνει το πρότυπο.

Τα Οφέλη που Τα Φέρνουν Οι Κινητήρες Ελατηρίου στην Αγορά

Υπάρχουν πολλά οφέλη που αυτό το είδος κινητήρα φέρνει στην αγορά. Κατ’ αρχάς, βελτιώνει την αποδοτικότητα σε έναν τεράστιο τομέα της αγοράς. Αυτές οι συσκευές έχουν σχεδιαστεί ώστε να είναι ενεργειακά αποδοτικές και βιώσιμες. Επιπλέον, ο ελαφρύς σχεδιασμός τους απαιτεί πολύ λιγότερη ενέργεια για τη μεταφορά ή τη λειτουργία.

Μείωση Φθοράς Κινητήρα

Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα αυτού του τύπου κινητήρα είναι ότι μειώνει τη φθορά. Οι σημερινοί κινητήρες είναι υπεύθυνοι για τη διαχείριση όλων των μηχανικών κινήσεων τους. Αυτό σημαίνει ότι ένας κινητήρας που σφραγίζει ένα αντικείμενο σε γραμμή συναρμολόγησης χρησιμοποιεί την ενέργειά του για να σφραγίσει και να σηκώσει τη σφραγίδα μετά τη δράση.

Φανταστείτε το ίδιο ρομπότ, αλλά αυτή τη φορά, χρειάζεται μόνο να πατήσει προς τα κάτω. Τα ελατήρια τότε ενεργοποιούνται και σηκώνουν την πλάκα ξανά. Αυτός ο τρόπος ενσωμάτωσης ελατηρίου θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τη φθορά του κινητήρα εξαλείφοντας το ήμισυ του κύκλου λειτουργίας του. Επίσης μειώνει τη θερμική φθορά. Οι ζεστοί κινητήρες λειτουργούν λιγότερο αποδοτικά και είναι πιο επιρρεπείς σε βλάβες.

Στη θεωρία, οι κινητήρες που λειτουργούν με ελατήρια θα μπορούσαν να διαρκέσουν δύο φορές περισσότερο από τα πλήρως μηχανικά αντίστοιχα. Θα απαιτούσαν λιγότερη ενέργεια για λειτουργία και θα ήταν πιο εύκολο να μεταφερθούν ή να λειτουργούν εν κινήσει. Αυτοί οι παράγοντες συνεχίζουν να ωθούν περισσότερους ερευνητές να εμβαθύνουν στον τομέα.

Πολυλειτουργικότητα

Ο κινητήρας ελατηρίου των ερευνητών αποδείχθηκε πολυλειτουργικός. Η μηχανική διαρρύθμιση επιτρέπει σε κάθε ελατήριο να ενεργοποιείται και να απενεργοποιείται ατομικά όταν χρειάζεται. Αυτή η δομή παρέχει επίσης ακριβή έλεγχο και εξαλείφει τις απώλειες ενέργειας.
Καθώς η ρομποτική επεκτείνεται, υπάρχει συνεχής ζήτηση για μονάδες που διαθέτουν ακριβείς κινητικές δεξιότητες. Εκπληκτικά, είναι πιο εύκολο να βρεθεί ένα ρομπότ που μπορεί να σηκώσει ένα αυτοκίνητο παρά ένα που μπορεί να σηκώσει ένα αυγό χωρίς να το σπάσει. Οι κινητήρες ελατηρίου ενεργοποιητή θα μπορούσαν να είναι ο χαμένο κρίκο σε αυτήν την αναζήτηση, καθώς επιτρέπουν στους μηχανικούς να εφαρμόζουν ακριβή λεπτή πίεση όταν χρειάζεται, χωρίς να προσθέτουν βάρος.

Υψηλότερη Ενεργειακή Αποδοτικότητα

Η χρήση ελατηρίων για τη μείωση του κύκλου λειτουργίας των κινητήρων είναι λογική και τα δεδομένα το αποδεικνύουν. Η αναφορά των ερευνητών δείχνει ότι ο κινητήρας τους μείωσε την κατανάλωση ενέργειας κατά 50% κατά μέσο όρο. Η μελέτη αποκάλυψε ότι, ανάλογα με την εργασία, η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να φτάσει έως και 97%. Συνεπώς, υπάρχει πολύ ενθουσιασμός σχετικά με το πώς αυτοί οι κινητήρες θα επιτρέψουν στο μέλλον στις συσκευές να λειτουργούν περισσότερο και να διανύσουν μεγαλύτερες αποστάσεις από ποτέ.

Αποθήκευση Ενέργειας Αποδοτικά

Ένα ακόμη τεράστιο όφελος είναι η δυνατότητα των μηχανικών να ενσωματώνουν ανάκτηση ελαστικής ενέργειας για την τροφοδοσία μπαταριών. Τα ελατήρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μηχανική μπαταρία ή σε συνδυασμό με παραδοσιακές μπαταρίες για να βελτιώσουν την αποθήκευση και την αποδοτικότητα μετατροπής. Η χρήση χαμηλής ισχύος συμπλεγμάτων από τους μηχανικούς αποτελεί παράδειγμα του πώς αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να τροφοδοτήσει τις μπαταρίες του μέλλοντος.

Αντίκτυποι στην Αγορά

Αυτή η πρόσφατη εξέλιξη έχει τη δυνατότητα να ανατρέψει μια ποικιλία αγορών που εξαρτώνται ή αυξάνουν την εξάρτησή τους από ρομπότ. Οι κινητήρες ελατηρίου θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη δημιουργία ρομποτικών συστημάτων χαμηλής ενέργειας που θα μπορούν να λειτουργούν για πολλές ημέρες χωρίς φόρτιση.
Η τεχνολογική επανάσταση είναι ήδη εδώ και τα καθημερινά ρομπότ αναλαμβάνουν όλο και περισσότερες καθημερινές εργασίες από τους ανθρώπους. Καθώς αυτές οι συσκευές γίνονται πιο συνειδητές του περιβάλλοντος τους, προσθέτουν δυνατότητες και μαθαίνουν να επικοινωνούν άπταιστα με τους ανθρώπους, η ζήτηση για κινητήρες χαμηλής ισχύος θα αυξηθεί εκθετικά.

Κατασκευή

Οι βιομηχανικοί και βιομηχανικοί τομείς έχουν αναζητήσει ρομπότ χαμηλής ισχύος για δεκαετίες. Μεγάλες εταιρείες έχουν ήδη επενδύσει δισεκατομμύρια στην ρομποτική τους υποδομή. Αυτά τα πρώτα ρομπότ τους εξοικονόμησαν δισεκατομμύρια, αλλά απαιτούσαν πολύ ενέργεια και συντήρηση λόγω του σχεδιασμού τους.

Η επόμενη γενιά ρομπότ θα κοστίζει λιγότερο στη λειτουργία, θα είναι πιο έξυπνη και θα απαιτεί λιγότερη συντήρηση. Αυτές οι συσκευές ήδη εισέρχονται στην αγορά αξιοποιώντας προηγμένα συστήματα AI. Στο μέλλον, οι κινητήρες ελατηρίου θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους κατασκευαστές να μειώσουν το κόστος τους κατά το ήμισυ, βελτιώνοντας ταυτόχρονα την ποιότητα των προϊόντων τους.

Υγειονομική Περίθαλψη

Όταν σκέφτεστε τη ρομποτική, η υγειονομική περίθαλψη ίσως να μην είναι η πρώτη βιομηχανία που έρχεται στο μυαλό. Η ενσωμάτωση ρομποτικής στην υγειονομική περίθαλψη υπάρχει εδώ και δεκαετίες και αυτή η πρόσφατη εξέλιξη θα μπορούσε να την επιταχύνει. Η ελαφριά και ανθεκτική φύση των κινητήρων ελατηρίου θα μπορούσε κάποια μέρα να κάνει τις προσθετικές ή εξωσκελετούς πιο προσιτές.

Τα ρομπότ ήδη βοηθούν άτομα με αναπηρίες να ζήσουν πιο γεμάτες ζωές. Η ελαφρύτερη και πιο αποδοτική κατασκευή αυτών των συσκευών ανοίγει το δρόμο για νέους ανθρώπους να λάβουν βοήθεια. Σημαντικό είναι ότι ήδη υπάρχουν διάφορα ενδιαφέροντα έργα υγειονομικής περίθαλψης που συνδυάζουν ρομπότ και υγειονομική φροντίδα για τη βελτίωση της ζωής.

Η AI θα μπορούσε να είναι το Κλειδί

Η χρήση ηλεκτροστατικών ελατηρίων για την ελάφρυνση του φορτίου εργασίας του κινητήρα αποτελεί ένα τεράστιο βήμα προς τη δημιουργία πραγματικά βιώσιμων ρομπότ. Η άλλη πλευρά αυτής της εξίσωσης είναι ο καθορισμός των ορίων και των δυνατοτήτων των υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις συσκευές. Η AI έχει αποδειχθεί ένα ανεκτίμητο εργαλείο σε αυτή τη διαδρομή.
Έχει βοηθήσει στην ανάπτυξη και διαμόρφωση νέων σχεδίων, στη εικονική δοκιμή σεναρίων και στον προγραμματισμό αλγορίθμων βαθιάς μάθησης. Μαζί, αυτές οι εξελίξεις έχουν συμβάλει στο να γίνει η AI ρομποτική το επόμενο όριο.

Η Αγορά Ρομποτικής σε Κίνηση

Απλώς με μια ματιά φαίνεται ότι ο τομέας της ρομποτικής είναι μία από τις πιο ζεστές αγορές στην τεχνολογία. Από μεγάλες εταιρείες που επιδιώκουν να εφαρμόσουν αυτές τις συσκευές για να μειώσουν τα λειτουργικά κόστη, μέχρι νεοσύστατες που ωθούν τα όρια της τεχνολογίας, υπάρχουν πολλά έργα που αξίζει να εξετάσετε. Εδώ είναι μερικές εταιρείες ρομποτικής που αξίζει να παρακολουθείτε.

1. ABB Ltd

Η ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) ιδρύθηκε το 1988 και έχει δραστηριότητες στην Ελβετία. Η ρομποτική division της εταιρείας είναι πρωτοπόρος στην αγορά για δεκαετίες. Τα ρομπότ ABB μπορούν να βρεθούν σε όλο τον κόσμο. Ο κατασκευαστής έχει παράγει και αποστείλει πάνω από 500 χιλιάδες μονάδες μέχρι σήμερα.
Η ABB είναι ένας από τους κορυφαίους κατασκευαστές παγκοσμίως. Η εταιρεία απασχολεί πάνω από 11 χιλιάδες ειδικούς και έχει δραστηριότητες σε περισσότερες από 53 χώρες. Σήμερα, παραμένει μια πρωτοπόρα δύναμη που προσφέρει μια τεράστια γκάμα ρομποτικών λύσεων σε βιομηχανικούς εταίρους.

2. KUKA

Η KUKA είναι γερμανική εταιρεία κατασκευής ρομπότ που αγοράστηκε από την κινεζική ομάδα Midea Group το 2016. Η εταιρεία προσφέρει έξυπνες ρομποτικές λύσεις που περιλαμβάνουν πλήρη αυτοματοποίηση και κεντρικές επιλογές ελέγχου. Η KUKA παραμένει κινητήρια δύναμη για καινοτομία και προσφέρει λύσεις που κυμαίνονται από απλά ρομπότ μέχρι ολοκληρωμένα συστήματα.
Η KUKA απασχολεί πάνω από 14 χιλιάδες ρομποτικούς ειδικούς και πραγματοποιεί ετήσιες πωλήσεις άνω των 3,2 δισεκατομμυρίων. Η δέσμευσή της στην ποιότητα και την καινοτομία έχει βοηθήσει τον κατασκευαστή να γίνει ένα από τα πιο αναγνωρισμένα ονόματα στην αγορά ρομποτικής. Αναμένεται να δούμε ανάπτυξη από αυτήν την ομάδα καθώς επεκτείνει τις δραστηριότητές της για να καλύψει τη ζήτηση των καταναλωτών.

3. HoneyBee Robotics

Η Honey Bee Robotics είναι σημαντικός παίκτης στους τομείς της άμυνας και της εξερεύνησης του διαστήματος. Εντυπωσιακά, η ομάδα έχει συνεργαστεί με τη NASA σε πολλές περιπτώσεις στο παρελθόν. Επιπλέον, εργάζεται αυτή τη στιγμή με ερευνητές για τη δημιουργία ρομποτικών συστημάτων εξόρυξης που μπορούν να λειτουργούν σε περιβάλλοντα χαμηλής βαρύτητας και άλλα.
Τα έξυπνα συστήματα εξόρυξης της HoneyBee χρησιμοποιούνται ήδη διεθνώς. Αυτά τα προϊόντα διευκολύνουν τη διενέργεια γεώτρησης και δοκιμών δειγμάτων σε πραγματικό χρόνο σε μεγάλη περιοχή. Η εταιρεία επίσης κατασκευάζει ρομπότ άμυνας σχεδιασμένα να βοηθούν τους στρατιώτες στο πεδίο.

Νεοσύστατες που Σπρώχνουν τα Όρια

Πολλές από τις εξελίξεις στον τομέα της ρομποτικής προέρχονται από τον αυξανόμενο αριθμό νεοσύστατων που εισέρχονται στην αγορά. Αυτές οι εταιρείες θέλουν να ανεβάσουν την εμπειρία της ρομποτικής σε νέα ύψη μέσω των δημιουργικών στρατηγικών και επιχειρηματικών μοντέλων τους.

OutRider

Το χορτοκοπτικό του γκαζόν σας σε μια ζεστή καλοκαιρινή μέρα μπορεί να φαίνεται βασανιστήριο, ειδικά αν έχετε έναν κήπο που απαιτεί συνεχής συντήρηση για να φαίνεται αποδεκτός. Η OutRider λύνει αυτό το πρόβλημα με την εισαγωγή έξυπνων ρομπότ τοπίου.
Αυτές οι συσκευές δημιουργούν μια δομή σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντάς τους να εκτελούν σύνθετες κινήσεις. Μπορούν ακόμη και να συνεργάζονται για να ολοκληρώνουν μεγάλες εργασίες πιο γρήγορα. Όσοι ξοδεύουν χιλιάδες για τη συντήρηση των τεράστιων ακινήτων ή επιχειρήσεών τους θα βρουν αυτές τις λύσεις ρομποτικού τοπίου υψηλής αποδοτικότητας λογικές.

Τα Ρομπότ Ενεργοποιούνται

Είναι ενδιαφέρον να παρατηρούμε ότι η έννοια της χρήσης ελατηρίων έχει επανεμφανιστεί ως ένας από τους καλύτερους τρόπους για την προώθηση της ρομποτικής. Αυτά τα συστήματα ενσωματώνουν το πνεύμα της μηχανικής και θα μπορούσαν να κάνουν τη ζωή πιο εύκολη για εκατομμύρια. Για αυτούς τους λόγους, πρέπει να συγχαρείτε αυτούς τους ερευνητές και όλους όσους ταξιδεύουν μαζί τους για να κάνουν τα ρομπότ χαμηλής ισχύος πραγματικότητα.