חוקרים יצרו מפעיל מנוע חשמלי חסכוני באנרגיה, המשתמש בקפיצים ובמצמדים כדי לצמצם את השימוש באנרגיה במשימות דינמיות, ומציע עד 97% שיפור ביעילות ויישומים פוטנציאליים ברובוטיקה ומכשירי עזר. אב טיפוס של מפעיל למיחזור אנרגיה. קרדיט: ארז קרימסקי
חוקרים בסטנפורד פיתחו מפעיל בעזרת קפיץ, מכשיר שיכול לבצע משימות דינמיות תוך שימוש בחלק מהאנרגיה שנדרשה בעבר.
בין אם מדובר בתותבת מונעת לסייע לאדם שאיבד גפה או רובוט עצמאי המנווט בעולם החיצון, אנו מבקשים ממכונות לבצע משימות מורכבות יותר ויותר דינמיות. אבל המנוע החשמלי הסטנדרטי תוכנן לפעילויות יציבות ומתמשכות כמו הפעלת מדחס או סיבוב מסוע – אפילו עיצובים מעודכנים מבזבזים הרבה אנרגיה בעת ביצוע תנועות מסובכות יותר.
חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד המציאו דרך להגביר מנועים חשמליים כדי להפוך אותם ליעילים הרבה יותר בביצוע תנועות דינמיות באמצעות סוג חדש של מפעיל, מכשיר שמשתמש באנרגיה כדי לגרום לדברים לזוז. המפעיל שלהם, פורסם ב-20 במרץ ב מדע רובוטיקהמשתמש בקפיצים ובמצמדים כדי לבצע מגוון משימות עם חלק קטן מצריכת האנרגיה של מנוע חשמלי טיפוסי.
"במקום לבזבז הרבה חשמל כדי פשוט לשבת שם ולזמזם וליצור חום, המפעיל שלנו משתמש במצמדים האלה כדי להשיג את רמות היעילות הגבוהות מאוד שאנו רואים ממנועים חשמליים בתהליכים מתמשכים, מבלי לוותר על יכולת השליטה ותכונות אחרות שעושות מנועים חשמליים אטרקטיביים", אמר סטיב קולינס, פרופסור חבר להנדסת מכונות ומחבר בכיר של המאמר.
קופצים לפעולה
המפעיל פועל על ידי רתימת יכולתם של קפיצים להפיק כוח ללא שימוש באנרגיה – קפיצים מתנגדים להימתח ומנסים להתאושש לאורכם הטבעי כאשר הם משוחררים. כאשר המפעיל מוריד, נניח, משהו כבד, החוקרים יכולים להפעיל את הקפיצים כך שהם נמתחים, ולהוריד חלק מהעומס מהמנוע. לאחר מכן, על ידי נעילת הקפיצים במצב מתוחה, ניתן לאגור את האנרגיה הזו כדי לסייע למנוע במשימה אחרת בהמשך.
המפתח לחיבור וניתוק הקפיצים במהירות וביעילות הוא סדרה של מצמדים אלקטרו-דביקים. כל קפיץ גומי מחובר בין שני מצמדים: אחד שמחבר את הקפיץ למפרק כדי לסייע למנוע ואחד שנועל את הקפיץ במצב מתוח כאשר הוא אינו בשימוש.
מצמדים אלה מורכבים משתי אלקטרודות – אחת מחוברת לקפיץ ואחת מחוברת למסגרת או למנוע – המחליקות בצורה חלקה זו על פני זו כשהן אינן פעילות. כדי להפעיל מצמד, החוקרים מפעילים מתח גדול על אחת האלקטרודות שלו. האלקטרודות נמשכות יחד בלחיצה נשמעת – כמו גרסה מהירה וחזקה יותר של החשמל הסטטי שגורם לבלון להידבק לקיר לאחר ששפשפת אותו על השטיח. שחרור הקפיץ הוא פשוט כמו הארקה של האלקטרודה והורדת המתח שלה בחזרה לאפס.
"הם קלי משקל, הם קטנים, הם באמת חסכוניים באנרגיה, וניתן להפעיל ולכבות אותם במהירות", אמר ארז קרימסקי, המחבר הראשי של המאמר, שסיים לאחרונה את הדוקטורט שלו במעבדה של קולינס. "ואם יש לך הרבה קפיצים מצמדים, זה פותח את כל האפשרויות המרגשות האלה כיצד תוכל להגדיר ולשלוט בהם כדי להשיג תוצאות מעניינות."
למפעיל שנבנה על ידי קולינס וקרימסקי יש מנוע מתוגבר בשישה קפיצי מצמד זהים, הניתנים לשילוב בכל שילוב. החוקרים ניהלו את התכנון באמצעות סדרה של מבחני תנועה מאתגרים שכללו האצה מהירה, עומסים משתנים ותנועה חלקה ויציבה. בכל משימה, המנוע המוגבר השתמש בלפחות 50 אחוז פחות כוח מאשר מנוע חשמלי רגיל, ובמקרה הטוב הפחית את צריכת החשמל ב-97 אחוז.
מנועים שיכולים לעשות יותר
עם מנועים יעילים משמעותית, רובוטים יכולים לנסוע רחוק יותר ולהשיג יותר. לרובוט שיכול לרוץ יום שלם, במקום רק שעה או שעתיים לפני שהוא צריך להיטען מחדש, יש פוטנציאל לבצע משימות הרבה יותר משמעותיות. ויש הרבה מצבים לא בטוחים – הכוללים חומרים רעילים, סביבות מסוכנות או סכנות אחרות – שבהם נעדיף לשלוח רובוט מאשר לסכן אדם.
"יש לזה השלכות גם על מכשירים מסייעים כמו תותבות או שלדים חיצוניים", אמר קרימסקי. "אם אתה לא צריך להטעין אותם כל הזמן, הם יכולים להשפיע בצורה משמעותית יותר על האנשים שמשתמשים בהם."
נכון לעכשיו, הבקר של המפעיל לוקח כמה דקות כדי לחשב את הדרך היעילה ביותר להשתמש בשילוב של קפיצים כדי לבצע משימה חדשה לגמרי, אבל לחוקרים יש תוכניות לקצר את פרק הזמן הזה באופן ניכר. הם מדמיינים מערכת שיכולה ללמוד ממשימות קודמות, ליצור מסד נתונים הולך וגדל של תנועות יעילות יותר ויותר ושימוש בבינה מלאכותית כדי להבין איך להשיג משהו חדש ביעילות.
"יש הרבה שינויים קטנים בשליטה ובעיצוב שהיינו רוצים לעשות, אבל אנחנו חושבים שהטכנולוגיה באמת נמצאת במקום שבו היא מוכנה לתרגום מסחרי", אמר קולינס. "נשמח לנסות להוציא את זה מהמעבדה ולהקים חברה שתתחיל לייצר את המפעילים האלה עבור הרובוטים של העתיד."
עבודה זו מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע.
