I polimeri a memoria di forma noti come elastomeri a cristalli liquidi (LCE) sono sempre più popolari per gli usi nella robotica morbida, nell’aptica e nell’informatica indossabile.
Funzionando come attuatori, possono consentire ai materiali di contrarsi, espandersi, cambiare forma e funzionare come fanno i muscoli biologici.
Poiché l’azione è controllata attraverso il riscaldamento e il raffreddamento passivo, gli sforzi per accelerare questi processi e aumentare l’efficienza energetica sono fondamentali per far avanzare il lavoro.
Un team di ricercatori del Dipartimento di ingegneria meccanica, dell’Istituto di interazione uomo-computer e dell’Istituto di robotica della Carnegie Mellon University ha cercato di affrontare questa sfida combinando gli LCE con un dispositivo termoelettrico (TED).
I collaboratori hanno sviluppato un meccanismo morbido e flessibile in grado di controllare elettricamente il raffreddamento attivo e conversione dell’energia termica in elettrica. Hanno anche introdotto un nuovo processo di produzione per dispositivi termoelettrici estensibili e pieghevoli utilizzando la stampa 3D. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials.
Il meccanismo LCE-TED funziona come un trasduttore, un dispositivo elettrico che converte una forma di energia in un’altra. Un sottile strato di TED contiene semiconduttori incorporati all’interno di una matrice elastomerica
stampata in 3D. È cablato con connessioni in metallo liquido eutettico gallio-indio (EGaIn).I TED funzionano con doppia funzionalità sia come riscaldatori che come refrigeratori, oltre a raccogliere energia. Poiché lo strato è coperto da LCE su entrambi i lati, il TED può alternativamente riscaldare e raffreddare gli strati LCE. Inoltre, può raccogliere energia dalle variazioni di temperatura.
“La capacità di recuperare energia dal calore residuo e dai gradienti termici potrebbe contribuire a migliorare l’efficienza energetica e la longevità del dispositivo elettronico host o del sistema robotico“, ha affermato Carmel Majidi, professore di ingegneria meccanica che dirige il Soft Machines Lab.
Le dimostrazioni hanno rivelato i vantaggi dei trasduttori LCE-TED per l’uso in applicazioni pratiche: tracciamento rapido e accurato grazie al raffreddamento attivo; manovre autonome e “intelligenti” di un deambulatore a due arti verso una fonte di calore; e raccolta di energia rigenerativa.
“Questo dimostra il potenziale per la creazione di sistemi robotici morbidi in grado di raccogliere parte dell’energia elettrica di cui hanno bisogno dall’energia nell’ambiente che li circonda“, ha affermato Mason Zadan, Ph.D. studente e l’autore principale dello studio.