p Desde sua invenção no final dos anos 1700, quando o físico britânico Denis Papin, nascido na França, o inventor da panela de pressão, propôs o princípio do pistão, os pistões têm sido usados ​​para aproveitar o poder dos fluidos para realizar trabalhos em várias máquinas e dispositivos. p Os pistões convencionais são feitos de uma câmara rígida e um pistão dentro, que pode deslizar ao longo da parede interna da câmara, ao mesmo tempo que mantém uma vedação estanque. Como resultado, o pistão divide dois espaços, que são preenchidos com dois fluidos e conectados a duas fontes externas de fluido. Se os fluidos têm pressões diferentes, o pistão deslizará na direção com a pressão mais baixa e pode, ao mesmo tempo, conduzir o movimento de um eixo ou outro dispositivo para realizar o trabalho físico. Este princípio foi usado para projetar muitas máquinas, incluindo vários motores de pistão, elevadores e guindastes hidráulicos, como os usados ​​em canteiros de obras, e ferramentas elétricas.

p Contudo, os pistões convencionais sofrem de várias deficiências:o alto atrito entre o pistão em movimento e a parede da câmara pode levar à quebra da vedação, vazamento, e mau funcionamento gradual ou repentino. Além disso, especialmente no espectro de pressão inferior, a eficiência energética e a velocidade de resposta geralmente são limitadas.

p Agora, uma equipe de roboticistas do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard, a Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveu uma nova maneira de projetar pistões que substitui seus elementos rígidos convencionais por um mecanismo que usa estruturas compressíveis dentro de uma membrana feita de materiais macios.

p Os 'pistões de tensão' resultantes geram mais de três vezes a força de pistões convencionais comparáveis, elimine muito do atrito, e em baixas pressões são até 40% mais eficientes em termos de energia. O estudo é publicado em Materiais Funcionais Avançados .

p "Esses" pistões de tensão "fabricados com estruturas que incorporam macios, materiais flexíveis são uma abordagem fundamentalmente nova para a arquitetura de pistão, que abrem um amplo espaço de design. Eles podem ser colocados em máquinas, substituindo os pistões convencionais, proporcionando maior eficiência energética, "disse o membro do corpo docente fundador do Wyss Institute e co-autor correspondente, Wood, Ph.D., que também é Professor Charles River de Engenharia e Ciências Aplicadas na SEAS e co-líder da Bioinspired Soft Robotics Initiative do Wyss Institute. "Importante, este conceito também permite uma gama de novas geometrias e variações funcionais que podem capacitar os engenheiros a inventar novas máquinas e dispositivos e a miniaturizar os existentes. "

p Wood liderou o estudo junto com Daniela Rus, Ph.D., Professor e diretor do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT (CSAIL) e Shuguang Li, Ph.D., um pós-doutorado orientado por Wood e Rus.

p O conceito de pistão de tensão baseia-se nos 'músculos artificiais inspirados em origami' (FOAMs) da equipe que usam materiais macios para dar aos robôs macios mais potência e controle de movimento, mantendo suas arquiteturas flexíveis. ESPUMAs são feitos de uma estrutura dobrada que é incorporada dentro de um fluido em uma pele flexível e hermeticamente selada. Alterar a pressão do fluido aciona a estrutura semelhante a origami para se desdobrar ou colapsar ao longo de um caminho geométrico pré-configurado, que induz uma mudança de forma em toda a ESPUMA, permitindo-lhe agarrar ou soltar objetos ou realizar outros tipos de trabalho.

p "Em princípio, exploramos o uso de FOAMs como pistões dentro de uma câmara rígida, "disse Li." Ao usar uma membrana flexível ligada a uma estrutura esquelética compressível dentro, e conectá-lo a uma das duas portas de fluido, podemos criar um compartimento de fluido separado que exibe a funcionalidade de um pistão. "

p Os pesquisadores mostraram que um aumento na pressão motriz no segundo reservatório de fluido ao redor da membrana na câmara aumenta as forças de tensão no material da membrana que são transmitidas diretamente à estrutura esquelética ligada. Ao ligar fisicamente o esqueleto com um elemento de atuação que se estende para fora da câmara, a compressão do esqueleto é acoplada a um movimento mecânico fora do pistão.

p "Pistões melhores podem transformar fundamentalmente a maneira como projetamos e utilizamos muitos tipos de sistemas, de amortecedores e motores de automóveis a tratores e equipamentos de mineração, "diz Rus, o Andrew (1956) e Erna Viterbi Professor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação no MIT. "Acreditamos que uma abordagem como essa poderia ajudar os engenheiros a conceber maneiras diferentes de tornar suas criações mais fortes e mais eficientes em termos de energia."

p A equipe testou seu pistão contra um pistão convencional em uma tarefa de esmagamento de objetos, e mostrou que quebrava objetos como lápis de madeira em pressões de entrada muito mais baixas (pressões geradas no compartimento de fluido ao redor da pele). Nas mesmas pressões de entrada, particularmente na faixa de pressão mais baixa, os pistões de tensão desenvolveram forças de saída três vezes maiores e exibem eficiência energética mais de 40 por cento maior, aproveitando a tensão induzida por fluido em seus materiais de revestimento flexível.

p "Ao configurar os esqueletos compressíveis com geometrias muito diferentes, como uma série de discos discretos, como esqueletos articulados, ou como esqueletos de primavera, as forças e movimentos de saída tornam-se altamente ajustáveis, "disse Li." Podemos até incorporar mais de um pistão de tensão em uma única câmara, ou dê um passo adiante e também fabrique a câmara circundante com um material flexível como um tecido de náilon hermético. "