Płyn zamiast metalowych zębów
Zespół badawczy z Uniwersytetu Nowojorskiego opracował mechanizm, w którym ruch przenoszony jest bez fizycznego kontaktu między częściami. Jak to możliwe? W sercu urządzenia znajdują się dwa cylindry zanurzone w gęstej mieszaninie wody i glicerolu. Kiedy pierwszy z nich zaczyna się obracać, wprawia w ruch otaczającą go ciecz. Ten ruch płynu – a nie zestaw zębów – jest siłą, która napędza drugi cylinder. Cała magia dzieje się dzięki dynamice płynów.
Czytaj też: Inteligentna peleryna niewidka z Korei. Nowy materiał ukrywa fale elektromagnetyczne
Wynaleźliśmy nowe typy przekładni, które zazębiają się poprzez wprawianie w ruch płynu, a nie poprzez fizyczne zęby – i odkryliśmy nowe możliwości kontrolowania prędkości, a nawet kierunku obrotów – tłumaczy Jun Zhang z Uniwersytetu Nowojorskiego
Prace nad tym nowatorskim podejściem do przenoszenia napędu zostały zainspirowane obserwacją turbin wodnych oraz wiatrowych. Badacze zastanawiali się, czy da się tak precyzyjnie sterować przepływem, by naśladował on funkcję mechanicznych zębów. Opis eksperymentu i jego wyniki ukazały się w tym miesiącu.
Dwa tryby pracy i przewaga nad tradycyjnymi rozwiązaniami
Najciekawsza jest elastyczność tego układu. W zależności od ustawienia, ten sam zestaw elementów może pracować w dwóch diametralnie różnych trybach. Gdy cylindry znajdują się blisko siebie, zachowują się jak klasyczna przekładnia, obracając się w przeciwnych kierunkach. Płyn w wąskiej szczelinie działa wtedy jak seria mikroskopijnych, niewidzialnych zębów. Gdy jednak zwiększymy odległość między cylindrami i podkręcimy prędkość obrotową pierwszego z nich, sytuacja się zmienia. Przepływ cieczy organizuje się w sposób, który sprawia, że drugi cylinder obraca się w tym samym kierunku co pierwszy. Płyn krąży wokół niego jak nieustannie zawiązana pętla, działając na zasadzie przeniesienia pędu. Ta zdolność do zmiany trybu pracy bez fizycznej modyfikacji mechanizmu jest nieosiągalna dla konwencjonalnych przekładni.
Zwykłe przekładnie muszą być starannie zaprojektowane, aby ich zęby zazębiały się idealnie, a każda wada, nieprawidłowe odstępy czy drobinka piasku powoduje ich zacięcie – dodaje Leif Ristroph z tej samej uczelni
To właśnie odporność na zanieczyszczenia jest jedną z największych teoretycznych zalet. W tradycyjnej przekładni pojedyncze ziarnko piasku może prowadzić do zatarcia i poważnej awarii. W rozwiązaniu płynnym, gdzie nie ma bezpośredniego styku części, ten problem po prostu znika. Zmiana kierunku i prędkości obrotów może być także niemal natychmiastowa, bez ryzyka uszkodzenia delikatnych zębów.
Robotyka miękka i przyszłość elastycznych maszyn
Gdzie takie technologie mogłyby znaleźć zastosowanie? Pierwszym, oczywistym kierunkiem jest tzw. miękka robotyka. Konwencjonalne roboty złożone z twardych elementów i silników są nieporadne w wielu zadaniach wymagających delikatności, jak interakcja z ludźmi czy praca w nieuporządkowanym środowisku. Roboty miękkie, budowane z elastycznych materiałów i napędzane często płynami, są pod tym względem znacznie lepsze. Płynna przekładnia idealnie wpasowuje się w tę filozofię projektowania, oferując płynną i bezpieczną kontrolę ruchu.
Czytaj też: Hinetics pokazuje bezkriogeniczny silnik nadprzewodzący. Czy to koniec ery skomplikowanego chłodzenia?
Potencjał wykracza jednak poza robotykę. Wyobraźmy sobie maszyny, które muszą dynamicznie adaptować swoje parametry pracy, na przykład urządzenia medyczne czy systemy w trudnych warunkach środowiskowych. Możliwość zdalnej, płynnej zmiany przełożenia bez ryzyka mechanicznego uszkodzenia to ogromna zaleta. Mniejsza podatność na zużycie teoretycznie mogłaby też wydłużyć żywotność takich urządzeń. Czy oznacza to rychły koniec tradycyjnych kół zębatych? Zdecydowanie nie. Technologia z Nowego Jorku to na razie eksperyment laboratoryjny, dowód słuszności koncepcji. Aby doszło do rewolucji, potrzeba będzie rozwiązać kwestie skalowania, wydajności energetycznej samego pompowania płynu i precyzyjnej kontroli w różnych warunkach obciążenia. Perspektywa jest jednak niezwykle ciekawa.