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Para robôs, está tudo nas engrenagens.

As engrenagens são essenciais para a robótica de precisão. Eles permitem que os membros girem suavemente e parem no comando; engrenagens de baixa qualidade fazem com que os membros se sacudam ou tremam. Se você estiver projetando um robô para colher amostras ou agarrar uma saliência, o tipo de engrenagem de que você precisa não virá de uma loja de ferragens.

No Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, o tecnólogo Douglas Hofmann e seus colaboradores estão construindo um equipamento melhor. Hofmann é o autor principal de dois artigos recentes sobre engrenagens feitas de vidro metálico a granel (BMG), uma liga especialmente fabricada com propriedades que a tornam ideal para a robótica.

"Embora os BMGs tenham sido explorados há muito tempo, compreender como projetá-los e implementá-los em hardware estrutural provou ser difícil, "disse Hofmann." Nossa equipe de pesquisadores e engenheiros do JPL, em colaboração com grupos da Caltech e UC San Diego, finalmente colocaram os BMGs nos testes necessários para demonstrar seus benefícios potenciais para a espaçonave da NASA. Esses materiais podem nos oferecer soluções para mobilidade em ambientes hostis, como na lua de Júpiter, Europa. "

Receita para o equipamento perfeito

Como esse material misterioso pode ser um metal e um vidro? O segredo está em sua estrutura atômica. Os metais têm uma organização arranjo cristalino. Mas se você aquecê-los em um líquido, eles derretem e os átomos tornam-se aleatórios. Resfrie-os rapidamente - cerca de 1, 832 graus Fahrenheit (1, 000 graus Celsius) por segundo - e você pode capturar seus não cristalinos, forma "líquida" no local.

Isso produz um arranjo aleatório de átomos com um ou microestrutura não cristalina. Essa estrutura dá a esses materiais seus nomes comuns:"metais amorfos, "ou vidro metálico.

Em virtude de ser resfriado tão rapidamente, o material é tecnicamente um vidro. Pode fluir facilmente e ser moldado por sopro quando aquecido, assim como o vidro da janela. Quando este material vítreo é produzido em partes maiores do que cerca de quatro décimos de polegada (1 milímetro), é chamado de vidro metálico "volumoso", ou BMG.

Os vidros metálicos foram originalmente desenvolvidos na Caltech em Pasadena, Califórnia, em 1960. Desde então, eles têm sido usados ​​para fabricar de tudo, desde telefones celulares a tacos de golfe.

O que torna essas engrenagens perfeitas para o espaço?

Entre suas qualidades atraentes, BMGs têm baixas temperaturas de fusão. Isso permite que as peças sejam fundidas usando tecnologia de moldagem por injeção, semelhante ao que é usado na indústria de plásticos, mas com muito mais força e resistência ao desgaste. BMGs também não ficam frágeis no frio extremo, um fator que pode levar à fratura dos dentes de uma engrenagem. Esta última qualidade torna o material particularmente útil para os tipos de robótica feitos no JPL.

Hofmann disse que as engrenagens feitas de BMGs podem "funcionar a frio e a seco":o teste inicial demonstrou forte torque e giro suave sem lubrificante, mesmo a -328 graus Fahrenheit (-200 graus Celsius). Para robôs enviados para paisagens congeladas, isso pode ser uma vantagem para a economia de energia. O rover Mars Curiosity da NASA, por exemplo, gasta energia aquecendo a graxa lubrificante toda vez que precisa se mover.

"Ser capaz de operar engrenagens na baixa temperatura das luas geladas, como Europa, é uma virada de jogo em potencial para cientistas, "disse R. Peter Dillon, um tecnólogo e gerente de programa no Desenvolvimento de Materiais e Grupo de Tecnologia de Fabricação da JPL. "A energia não precisa mais ser retirada dos instrumentos científicos para aquecer o lubrificante da caixa de engrenagens, que preserva a preciosa energia da bateria. "

Engrenagens que giram suavemente enquanto cortam custos

O segundo artigo liderado por Hofmann analisou como os BMGs poderiam reduzir o custo de fabricação de engrenagens de ondas de deformação. Este tipo de equipamento, que inclui um anel de metal que flexiona conforme a engrenagem gira, é difícil de produzir em massa e onipresente em robôs caros.

Os BMGs não apenas permitem que essas engrenagens funcionem em baixas temperaturas, mas também podem ser fabricados por uma fração do custo de suas versões de aço, sem sacrificar o desempenho. Isso é potencialmente uma mudança de jogo para reduzir o custo de robôs que usam engrenagens de ondas de tensão, já que geralmente são a parte mais cara.

"A produção em massa de engrenagens de onda de tensão usando BMGs pode ter um grande impacto no mercado de robótica de consumo, "Disse Hofmann." Isso é especialmente verdadeiro para robôs humanóides, onde as engrenagens nas articulações podem ser muito caras, mas são necessárias para evitar o tremor dos braços. O desempenho em baixas temperaturas para espaçonaves JPL e rovers parece ser um feliz benefício adicional. "

O artigo publicado por Materiais de Engenharia Avançada analisou o projeto e o teste de engrenagens BMG para caixas de engrenagens planetárias. Inclui colaboradores da Caltech e da UC San Diego. O artigo publicado em Relatórios Científicos examina como BMGs podem ser usados ​​para reduzir o custo de engrenagens de onda de tensão. Também incluiu colaboradores do Caltech.

O projeto Bulk Metallic Glass Gears é financiado pelo Programa de Desenvolvimento de Mudança do Jogo da Diretoria de Missão de Tecnologia Espacial da NASA, que investiga ideias e abordagens que podem resolver problemas tecnológicos significativos e revolucionar os empreendimentos espaciais futuros.