Οι οδοντωτοί τροχοί, τα λιπαντικά και η αναπόφευκτη φθορά των μεταλλικών εξαρτημάτων ίσως σύντομα αποτελέσουν παρελθόν για μια μεγάλη γκάμα εφαρμογών. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (NYU) και το NYU της Σαγκάης παρουσίασαν μια τεχνολογία που υπόσχεται να αλλάξει τα δεδομένα: γρανάζια που λειτουργούν αποκλειστικά με τη δύναμη των ρευστών, χωρίς να ακουμπούν μεταξύ τους και χωρίς να διαθέτουν δόντια.
Η μελέτη εισάγει την έννοια των «ρευστών γραναζιών» (fluid gears). Πρόκειται για έναν μηχανισμό που εκμεταλλεύεται τη δυναμική των υγρών για να μεταφέρει ενέργεια και περιστροφή, καταργώντας την ανάγκη για φυσική επαφή μεταξύ των κινούμενων μερών.
Πώς λειτουργεί ο μηχανισμός
Η αρχή λειτουργίας είναι φαινομενικά απλή αλλά φυσικά περίπλοκη. Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Φυσικής και Μαθηματικών Jun Zhang, βύθισε δύο κυλίνδρους σε ένα δοχείο γεμάτο με ένα παχύρρευστο μείγμα νερού και γλυκερίνης. Ο ένας κύλινδρος συνδέθηκε σε μοτέρ (ενεργός), ενώ ο άλλος αφέθηκε ελεύθερος να περιστρέφεται (παθητικός).
Όταν ο ενεργός κύλινδρος άρχισε να περιστρέφεται, παρέσυρε το υγρό γύρω του, δημιουργώντας δίνες και ρεύματα. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: η ροή του υγρού «άγγιξε» τον παθητικό κύλινδρο και τον ανάγκασε να κινηθεί. Το σύστημα δεν απαιτούσε καμία στερεή σύνδεση. Το ίδιο το ρευστό λειτούργησε ως ο ενδιάμεσος κρίκος, μεταφέροντας τη ροπή στρέψης από τον έναν άξονα στον άλλον.
Δύο λειτουργίες σε μία διάταξη
Το πιο ενδιαφέρον στοιχείο της ανακάλυψης είναι η προσαρμοστικότητα του συστήματος. Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι αλλάζοντας την απόσταση μεταξύ των δύο κυλίνδρων, η συμπεριφορά της μετάδοσης άλλαζε δραματικά:
- Λειτουργία Γραναζιού: Όταν οι κύλινδροι βρίσκονταν σε κοντινή απόσταση, οι δίνες που δημιουργούνταν ανάμεσά τους λειτουργούσαν σαν αόρατα «δόντια». Αυτό ανάγκαζε τον παθητικό κύλινδρο να περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από τον ενεργό, ακριβώς όπως συμβαίνει με δύο συμπλεκόμενα συμβατικά γρανάζια.
- Λειτουργία Ιμάντα: Όταν η απόσταση μεγάλωνε, η ροή του υγρού άλλαζε μορφή, δημιουργώντας ένα ρεύμα που περιέβαλε και τους δύο κυλίνδρους. Σε αυτή την περίπτωση, ο παθητικός κύλινδρος περιστρεφόταν προς την ίδια κατεύθυνση με τον ενεργό, μιμούμενος τη λειτουργία ενός ιμάντα κίνησης ή μιας αλυσίδας.
Τέλος στη φθορά και τις εμπλοκές
Τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης είναι πολλαπλά και λύνουν χρόνια προβλήματα της παραδοσιακής μηχανικής. Πρώτα από όλα, η απουσία φυσικής επαφής σημαίνει μηδενική τριβή μεταξύ των στερεών μερών. Δεν υπάρχει φθορά υλικού, δεν παράγονται μεταλλικά ρινίσματα και ο θόρυβος εξαλείφεται σχεδόν πλήρως.
Επιπλέον, το σύστημα είναι απρόσβλητο από εξωτερικούς παράγοντες που θα κατέστρεφαν ένα συμβατικό κιβώτιο ταχυτήτων. Αν ανάμεσα στους κυλίνδρους περάσει άμμος, σκόνη ή κάποιο άλλο μικροαντικείμενο, το υγρό απλώς ρέει γύρω του. Δεν υπάρχει κίνδυνος εμπλοκής ή σπασίματος «δοντιών», καθώς τα δόντια αυτά είναι φτιαγμένα από... νερό.
Το μέλλον της Soft Robotics
Αν και η συγκεκριμένη τεχνολογία δεν πρόκειται να αντικαταστήσει το κιβώτιο ταχυτήτων του αυτοκινήτου σας στο άμεσο μέλλον, ανοίγει νέους ορίζοντες για τη «μαλακή ρομποτική» (soft robotics). Τα ρομπότ που κατασκευάζονται από εύκαμπτα υλικά και προορίζονται για αλληλεπίδραση με ανθρώπους ή ευαίσθητους οργανισμούς χρειάζονται μηχανισμούς μετάδοσης που να είναι ασφαλείς και προσαρμόσιμοι.
Ένα σύστημα υγρών γραναζιών επιτρέπει τη ρύθμιση της σχέσης μετάδοσης «εν κινήσει», απλά αλλάζοντας το ιξώδες του υγρού ή την ταχύτητα περιστροφής, χωρίς να χρειάζεται μηχανική ανακατασκευή. Αυτό το καθιστά ιδανικό για βιοϊατρικές συσκευές, μικρο-μηχανές που λειτουργούν εντός του ανθρώπινου σώματος ή ρομπότ που εργάζονται σε περιβάλλοντα με υψηλή υγρασία και σκόνη.
