Utilizzare le molle per ridurre il consumo energetico nella robotica

Un progetto di ricerca finanziato dalla National Science Foundation la scorsa settimana offre alcune intuizioni su come le molle potrebbero rendere i motori più efficienti in futuro. Lo studio è stato presentato da due ingegneri meccanici, Erez Krimsky e Steven H. Collins. Nel loro rapporto, approfondiscono i vantaggi di un motore ibrido a molla prima di rivelare un prototipo funzionante.  Ecco cosa c’è da sapere.

Perché le molle potrebbero essere la risposta

Le molle possono sembrare una soluzione improbabile per l’usura dei motori o per l’elevato consumo energetico. Tuttavia, alcune caratteristiche uniche le rendono perfettamente adatte a questo compito. Per esempio, possono generare coppia senza richiedere energia.
Le molle possono immagazzinare energia elastica, quando sono allungate, con quasi nessuna perdita. Questa energia elastica può essere convertita direttamente in forza meccanica in modo efficiente. Inoltre, le molle possono essere regolate o usate in tandem per aumentare o diminuire la coppia quando necessario.

Sfide da superare

In passato ci sono state menti intuitive che hanno riconosciuto il potenziale delle molle di immagazzinare e convertire energia. Tuttavia, sono state necessarie alcune sfide specifiche da superare affinché questi progetti potessero avere successo. Per esempio, le molle sono notoriamente difficili da controllare.
Sì, se tiri una molla, essa rimbalzerà indietro. Il problema è creare una molla che rimbalzi allo stesso ritmo per migliaia o milioni di utilizzi. Pertanto, una delle prime cose che gli ingegneri hanno dovuto capire è stata come controllare le molle da integrare.

Nuovo design della molla

Dopo una breve deliberazione, hanno deciso che fosse necessario un nuovo design. Hanno creato un impianto di molle attivato da energia elastica completamente nuovo e leggero per il progetto. Queste molle sono realizzate con un materiale elastico teso lungo il telaio. Quando viene applicata una corrente elettrica, la molla si richiama e si tende. Questa strategia ha permesso agli sviluppatori di impilare quattro molle una accanto all’altra.
L’uso di più molle aggiunge coppia e opzioni di controllo aggiuntive al motore. Gli utenti possono attivare una o più molle quando aumentano le esigenze di potenza. Questo approccio ha consentito loro di creare una versione ridotta del loro motore, che potrebbe essere utilizzata in applicazioni commerciali e robotiche in futuro.

Il prototipo – Attuatore di riciclo

Il prototipo ufficiale del motore attuatore elastico parallelo è già nelle fasi di test. Questo piccolo motore integra quattro molle elettrostatiche che funzionano in parallelo. Questa struttura consente inoltre al motore di sfruttare le molle per ridurre il carico di lavoro, aumentare la potenza e ridurre l’usura meccanica.

I risultati dei test mostrano promesse

Il rapporto ha mostrato alcuni risultati di test impressionanti del prototipo. Gli sviluppatori hanno sottoposto l’attuatore a numerosi casi di test ciclici per valutare gli effetti delle molle sul dispositivo. È stato chiaro fin dall’inizio che le molle hanno migliorato notevolmente l’efficienza.
Ancora più interessante è che gli sviluppatori hanno scoperto che le molle agivano come un cambio su un motore, consentendo di cambiare marcia per ottenere più coppia. A differenza dei cambi tradizionali che richiedono frizioni meccaniche per modificare la coppia, questo sistema integra senza soluzione di continuità frizioni elettriche che si attivano quando necessario.

Frizioni elettroadesive

L’uso di coppie di frizioni elettroadesive per mantenere le molle bloccate sotto tensione è stata una grande innovazione. Queste frizioni sono state realizzate il più sottili possibile per ridurre il peso. Sono rivestite con materiale dielettrico e possono scorrere senza attrito quando non sono caricate. È importante notare che le frizioni si bloccano in posizione quando viene applicata tensione.
Questo tipo di frizione elettrica richiede una potenza minima e offre una risposta quasi istantanea. Inoltre, offrono un’alta efficienza rispetto alle opzioni meccaniche e possono essere prodotte a basso costo. Questi fattori significano che il loro utilizzo nei motori a molla elettrostatica potrebbe diventare la norma.

Vantaggi che i motori a molla offrono al mercato

Ci sono molti vantaggi che questo tipo di motore porta sul mercato. Per prima cosa, migliora l’efficienza in un vasto settore del mercato. Questi dispositivi sono progettati per essere energeticamente efficienti e sostenibili. Inoltre, il loro design leggero richiede molta meno energia per il trasporto o il funzionamento.

Ridurre l’usura del motore

Un altro grande vantaggio di questo tipo di motore è che riduce l’usura. I motori odierni sono responsabili di gestire tutti gli aspetti dei loro movimenti meccanici. Ciò significa che un motore che stampa un elemento su una linea di assemblaggio utilizza la sua energia per stampare e sollevare lo stampo dopo l’azione.

Immaginate lo stesso robot, ma questa volta deve solo premere verso il basso. Le molle si attivano quindi e sollevano nuovamente la piastra. Questo tipo di integrazione della molla potrebbe ridurre significativamente l’usura del motore eliminando metà del suo ciclo operativo. Riduce anche l’usura termica. I motori caldi funzionano meno efficientemente e sono più soggetti a guasti.

In teoria, i motori alimentati a molla potrebbero durare il doppio rispetto ai loro equivalenti completamente meccanici. Richiederebbero meno energia per funzionare e sarebbero più facili da spedire o utilizzare in movimento. Questi fattori continuano a spingere più ricercatori a approfondire il settore.

Versatilità

Il motore a molla dei ricercatori si è dimostrato versatile. Il setup meccanico consente di attivare e disattivare individualmente ogni molla quando necessario. Questa struttura fornisce anche un controllo fine ed elimina le perdite di energia.
Con l’espansione della robotica, c’è una domanda costante di unità dotate di abilità motorie fini. Sorprendentemente, è più facile trovare un robot che possa sollevare un’auto piuttosto che uno che possa raccogliere un uovo senza romperlo. I motori attuatori a molla potrebbero essere il collegamento mancante in questa ricerca, poiché consentono agli ingegneri di applicare una pressione fine esatta quando necessario senza aggiungere peso.

Maggiore efficienza energetica

L’uso delle molle per ridurre il ciclo operativo dei motori ha senso e i dati lo dimostrano. Il rapporto dei ricercatori mostra che il loro motore ha ridotto il consumo energetico del 50% in media. Lo studio ha rivelato che, a seconda del compito, il risparmio energetico può arrivare fino al 97%. Pertanto, c’è molto clamore su come questi motori un giorno permetteranno ai dispositivi di andare più lontano e funzionare più a lungo che mai.

Immagazzinare energia in modo efficiente

Un altro grande vantaggio è la capacità degli ingegneri di integrare il recupero di energia elastica per alimentare le batterie. Le molle possono essere usate come una batteria meccanica o in combinazione con le forme tradizionali di batterie per migliorare l’efficienza di immagazzinamento e conversione. L’uso da parte degli ingegneri di frizioni a basso consumo è un esempio di come questa tecnologia potrebbe alimentare le batterie del futuro.

Impatto sul mercato

Questo ultimo sviluppo ha il potenziale di sconvolgere una varietà di mercati che dipendono o stanno aumentando la loro dipendenza dai robot. I motori a molla potrebbero aiutare a creare sistemi robotici a bassa energia in grado di gestire lunghi giorni di lavoro senza ricarica.
La rivoluzione tecnologica è già qui e i robot quotidiani stanno assumendo sempre più compiti quotidiani dagli esseri umani. Man mano che questi dispositivi diventano consapevoli dell’ambiente, aggiungono capacità e imparano a comunicare fluentemente con gli esseri umani, la domanda di motori a basso consumo aumenterà esponenzialmente.

Produzione

I settori manifatturiero e industriale hanno cercato robot a basso consumo per decenni. Grandi aziende hanno già investito miliardi nella loro infrastruttura robotica. Questi primi robot hanno risparmiato miliardi ma richiedevano molta energia e manutenzione a causa del loro design.

La prossima generazione di robot costerà meno da gestire, sarà più intelligente e richiederà meno manutenzione. Questi dispositivi stanno già facendo il loro ingresso sul mercato sfruttando sistemi AI avanzati. In futuro, i motori a molla potrebbero aiutare i produttori a dimezzare i costi migliorando al contempo la qualità dei loro prodotti.

Sanità

Quando si pensa alla robotica, la sanità potrebbe non essere la prima industria che viene in mente. L’integrazione della robotica nella sanità è in corso da decenni e questo ultimo sviluppo potrebbe accelerare le cose. La natura leggera e durevole dei motori a molla potrebbe un giorno rendere più accessibili protesi o esoscheletri.

I robot stanno già aiutando le persone con disabilità a vivere una vita più appagante. Rendere questi dispositivi più leggeri ed efficienti apre la porta a nuove persone per ricevere aiuto. È importante notare che esistono già una varietà di interessanti progetti sanitari in corso che combinano robotica e sanità per migliorare le vite.

L’IA potrebbe essere la chiave

L’uso di molle elettrostatiche per alleviare il carico di lavoro del motore è un grande passo verso la creazione di robot veramente sostenibili. L’altro lato di questa equazione è determinare le soglie e le capacità dei materiali utilizzati in questi dispositivi. L’IA si è dimostrata uno strumento inestimabile nel percorso.
Ha aiutato a sviluppare e configurare nuovi progetti, a testare virtualmente scenari e a programmare algoritmi di deep learning. Insieme, questi sviluppi hanno contribuito a rendere la robotica IA la prossima frontiera.

Il mercato della robotica in movimento

Basta uno sguardo per vedere che il settore della robotica è uno dei mercati più caldi della tecnologia. Dalle grandi aziende che cercano di implementare questi dispositivi per ridurre i costi operativi alle startup che spingono i confini della tecnologia, ci sono molti progetti da tenere d’occhio. Ecco alcune aziende robotiche da monitorare.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) è stata lanciata nel 1988 e ha operazioni in Svizzera. La divisione robotica dell’azienda è stata un pioniere nel mercato per decenni. I robot ABB si trovano in tutto il mondo. Il produttore ha prodotto e spedito oltre 500.000 unità fino ad oggi.
ABB è uno dei produttori più performanti a livello globale. L’azienda impiega oltre 11.000 esperti e ha operazioni in più di 53 paesi. Oggi rimane una forza pionieristica che offre una vasta gamma di soluzioni robotiche ai partner industriali.

2. KUKA

KUKA è un produttore tedesco di robotica che è stato acquistato dal gruppo cinese Midea nel 2016. L’azienda offre soluzioni robotiche intelligenti che includono opzioni di automazione completa e controllo centralizzato. KUKA rimane una forza trainante per l’innovazione e offre soluzioni che vanno da robot semplici a sistemi completi.
KUKA impiega oltre 14.000 esperti robotici e registra oltre 3,2 miliardi di vendite annuali. Il suo impegno per la qualità e l’innovazione ha aiutato il produttore a diventare uno dei nomi più riconosciuti nel mercato della robotica. Ci si può aspettare una crescita da questo gruppo mentre espande le sue operazioni per soddisfare la domanda dei consumatori.

3. HoneyBee Robotics

Honey Bee Robotics è un attore importante nei settori della difesa e dell’esplorazione spaziale. È impressionante che il gruppo abbia collaborato con la NASA in numerose occasioni in passato. Inoltre, sta attualmente lavorando con ricercatori per creare sistemi di estrazione robotica che possano operare in ambienti a bassa gravità e altro.
I sistemi di scavo intelligenti di HoneyBee sono già in uso a livello internazionale. Questi prodotti facilitano la perforazione e i test di campioni in tempo reale su un’ampia area. L’azienda produce anche robot da difesa progettati per assistere i soldati sul campo.

Startup che spingono i confini

Molti degli sviluppi nel settore robotico provengono dal crescente numero di startup che entrano nel mercato. Queste aziende vogliono portare l’esperienza robotica a nuovi livelli attraverso le loro strategie creative e i modelli di business.

OutRider

Tagliare il prato in una calda giornata estiva può sembrare una tortura, soprattutto se si ha un giardino che richiede manutenzione costante per apparire accettabile. OutRider risolve questo problema introducendo robot di paesaggistica intelligenti.
Questi dispositivi creano una struttura del sito in tempo reale, consentendo loro di eseguire manovre complesse. Possono anche collaborare per completare lavori di grandi dimensioni più rapidamente. Chi spende migliaia per mantenere le proprie proprietà o attività di grandi dimensioni troverà queste soluzioni robotiche di paesaggistica ad alta efficienza sensate.

I robot scattano in azione

È interessante vedere che il concetto di utilizzo delle molle è riemerso come uno dei modi migliori per far progredire la robotica. Questi sistemi incarnano lo spirito ingegneristico e potrebbero rendere la vita più facile per milioni di persone. Per questi motivi, bisogna congratularsi con questi ricercatori e con tutti coloro che li accompagnano nel rendere i robot a basso consumo una realtà.