Lancia una palla da baseball, e potresti dire che è tutto nel polso.

Per i robot, è tutto negli ingranaggi.

Gli ingranaggi sono essenziali per la robotica di precisione. Consentono agli arti di girare dolcemente e di fermarsi a comando; ingranaggi di bassa qualità fanno sobbalzare o scuotere gli arti. Se stai progettando un robot per raccogliere campioni o afferrare una sporgenza, il tipo di ingranaggi di cui avrai bisogno non proverrà da un negozio di ferramenta.

Al Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, il tecnologo Douglas Hofmann ei suoi collaboratori stanno costruendo una marcia migliore. Hofmann è l'autore principale di due recenti articoli sugli ingranaggi realizzati con vetro metallico sfuso (BMG), una lega appositamente realizzata con proprietà che la rendono ideale per la robotica.

"Sebbene i BMG siano stati esplorati per molto tempo, capire come progettarli e implementarli nell'hardware strutturale si è dimostrato elusivo, " ha detto Hofmann. "Il nostro team di ricercatori e ingegneri al JPL, in collaborazione con i gruppi del Caltech e dell'UC San Diego, hanno finalmente sottoposto i BMG ai test necessari per dimostrare i loro potenziali benefici per i veicoli spaziali della NASA. Questi materiali possono essere in grado di offrirci soluzioni per la mobilità in ambienti difficili, come sulla luna di Giove Europa."

Ricetta per l'attrezzatura perfetta

Come può questo materiale misterioso essere sia un metallo che un vetro? Il segreto sta nella sua struttura atomica. I metalli hanno una struttura organizzata, disposizione cristallina. Ma se li riscaldi in un liquido, si sciolgono e gli atomi vengono randomizzati. Raffreddarli abbastanza rapidamente - circa 1, 832 gradi Fahrenheit (1, 000 gradi Celsius) al secondo e puoi intrappolare il loro non cristallino, forma "liquida" in atto.

Questo produce una disposizione casuale di atomi con un amorfo, o microstruttura non cristallina. Quella struttura dà a questi materiali i loro nomi comuni:"metalli amorfi, " o vetro metallico.

In virtù di essere raffreddato così rapidamente, il materiale è tecnicamente un vetro. Può scorrere facilmente ed essere soffiato quando riscaldato, proprio come il vetro della finestra. Quando questo materiale vetroso viene prodotto in parti maggiori di circa quattro decimi di pollice (1 millimetro), si chiama vetro metallico "bulk", o BMG.

Gli occhiali metallici sono stati originariamente sviluppati al Caltech di Pasadena, California, nel 1960. Da allora, sono stati usati per produrre di tutto, dai cellulari alle mazze da golf.

Cosa rende questi ingranaggi perfetti per lo spazio?

Tra le loro qualità attraenti, I BMG hanno basse temperature di fusione. Ciò consente di fondere le parti utilizzando la tecnologia di stampaggio a iniezione, simile a quello utilizzato nell'industria delle materie plastiche, ma con una resistenza e una resistenza all'usura molto più elevate. Inoltre, i BMG non diventano fragili in condizioni di freddo estremo, un fattore che può portare alla frattura dei denti di un ingranaggio. Quest'ultima qualità rende il materiale particolarmente utile per i tipi di robotica realizzati al JPL.

Hofmann ha affermato che gli ingranaggi realizzati con BMG possono "funzionare a freddo e a secco":i test iniziali hanno dimostrato una coppia elevata e una rotazione regolare senza lubrificante, anche a -328 gradi Fahrenheit (-200 gradi Celsius). Per i robot inviati in paesaggi ghiacciati, questo può essere un vantaggio per il risparmio energetico. Il rover Curiosity della NASA, Per esempio, spende energia per riscaldare il grasso lubrificante ogni volta che deve muoversi.

"Essere in grado di azionare gli ingranaggi alla bassa temperatura delle lune ghiacciate, come Europa, è un potenziale punto di svolta per gli scienziati, " ha detto R. Peter Dillon, un tecnologo e responsabile del programma nel gruppo per lo sviluppo dei materiali e la tecnologia di produzione di JPL. "Non è più necessario sottrarre energia agli strumenti scientifici per il riscaldamento del lubrificante del cambio, che preserva la preziosa carica della batteria."

Ingranaggi che girano dolcemente riducendo i costi

Il secondo documento condotto da Hofmann ha esaminato come i BMG potrebbero ridurre il costo di produzione di ingranaggi ad onde di deformazione. Questo tipo di attrezzatura, che include un anello di metallo che si flette quando l'ingranaggio gira, è difficile da produrre in serie e onnipresente nei robot costosi.

Non solo i BMG consentono a questi ingranaggi di funzionare a basse temperature, ma possono anche essere prodotti a una frazione del costo delle loro versioni in acciaio senza sacrificare le prestazioni. Questo è potenzialmente un cambiamento di gioco per ridurre il costo dei robot che utilizzano ingranaggi ad onde di deformazione, poiché sono spesso la loro parte più costosa.

"La produzione di massa di ingranaggi ad onde di deformazione che utilizzano BMG può avere un impatto importante sul mercato della robotica di consumo, " Ha detto Hofmann. "Questo è particolarmente vero per i robot umanoidi, dove gli ingranaggi nelle articolazioni possono essere molto costosi ma sono necessari per prevenire lo scuotimento dei bracci. Le prestazioni a basse temperature per i veicoli spaziali e i rover JPL sembrano essere un felice vantaggio aggiuntivo".

Il documento pubblicato da Materiali di ingegneria avanzata ha esaminato la progettazione e il test di ingranaggi BMG per riduttori epicicloidali. Comprendeva collaboratori presso Caltech e UC San Diego. Il documento pubblicato su Rapporti scientifici esamina come i BMG possono essere utilizzati per ridurre il costo degli ingranaggi ad onde di deformazione. Includeva anche collaboratori di Caltech.

Il progetto Bulk Metallic Glass Gears è finanziato dal programma di sviluppo rivoluzionario della NASA Space Technology Mission Directorate, che indaga idee e approcci che potrebbero risolvere problemi tecnologici significativi e rivoluzionare le future attività spaziali.