Engranajes de cristal metálico hacen robots agraciados

Cristal metálico a granel, una aleación del metal, que no es frágil en frío extremo. Hace de el material ideal para robótica operada en el espacio o en planetas helados. Imagen crédito: NASA/JPL-Caltech

Lanzar una pelota de béisbol, y se podría decir que está todo en la muñeca.

Para robots, todo está en los engranajes.

Engranajes son esenciales para la robótica de precisión. Permiten que sus miembros giren y parar al mando; engranajes de baja calidad causan extremidades jerk o sacudida. Si usted está diseñando un robot para las muestras de cuchara o agarre en una repisa, el tipo de engranajes que necesita no proviene de un almacén del hardware.

En el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, tecnólogo Douglas Hofmann y sus colaboradores están construyendo un mejor engranaje. Hofmann es el autor principal de dos recientes artículos sobre engranajes de grueso vidrio metálico (BMG), una aleación especialmente diseñada con las características que lo hacen ideal para robótica.

"Aunque BMGs se han explorado por mucho tiempo, comprender cómo diseñar e implementar en hardware estructural ha resultado esquivo,", dijo Hofmann. "Nuestro equipo de investigadores e ingenieros de JPL, en colaboración con grupos en Caltech y la Universidad de California San Diego, por fin ha puesto BMGs a través de las pruebas necesarias para demostrar sus beneficios potenciales para la NASA. Estos materiales pueden ser capaces de ofrecer soluciones para la movilidad en entornos severos, como en la Luna de Júpiter Europa".

Receta para el engranaje perfecto

¿Este material de misterio es un metal y un vidrio? El secreto está en su estructura atómica. Los metales tienen un arreglo organizado, cristalino. Pero si se los calienta para arriba en un líquido, se funden y los átomos se convierten en aleatorios. Fresco les rápidamente bastante, de 1.832 (1.000 grados Celsius) por segundo--y usted pueden atrapar su forma no cristalina, "líquido" en el lugar.

Esto produce un arreglo al azar de átomos con una microestructura no cristalina o amorfa. Que estructura le confiere a estos materiales de sus nombres comunes: "metales amorfos" o cristal metálico.

En virtud de ser enfriado tan rápidamente, el material es técnicamente un vidrio. Puede fluir fácilmente y ser moldeado de un soplo caliente, apenas como el windowpane cristal. Cuando se produce este material vidrioso en partes mayores que aproximadamente.04 pulgadas (1 milímetro), es llamado "bulk" cristal metálico o BMG.

Vidrios metálicos fueron desarrollados originalmente en Caltech en Pasadena, California, en 1960. Desde entonces, se ha utilizado para la fabricación de todo, desde teléfonos móviles a los clubes de golf.

¿Qué hace que estos engranajes sean perfectos para el espacio?

Entre sus cualidades atractivas, BMGs tienen temperaturas de fusión bajas. Permite a las partes a ser fundido mediante tecnología de moldeo por inyección, similar a lo que se utiliza en la industria del plástico, pero con mucho mayor fuerza y resistencia al desgaste. BMGs también no son frágiles en frío extremo, un factor que puede llevar a los dientes de un engranaje de fracturamiento. Esta última cualidad hace que el material útil para las clases de robótica en JPL.

Hofmann dijo que engranajes de BMGs pueden "ejecutar frío y seco": pruebas iniciales han demostrado esfuerzo de torsión fuerte y torneado liso sin lubricante, incluso en-328a (-200 grados Celsius). Para los robots enviados a los paisajes congelados, puede ser una ventaja de ahorro de energía. Rover de curiosidad de Marte de la NASA, por ejemplo, gasta energía calentando el lubricante de la grasa cada vez que necesita para moverse.

"Ser capaces de funcionar los engranajes en la baja temperatura del helado de las lunas, como Europa, es un cambiador de juego posibles para los científicos," dijo R. Peter Dillon, un tecnólogo y Gerente del programa de desarrollo de materiales y fabricación de tecnología Grupo de JPL. "Poder ya no necesita ser sifón de los instrumentos de la ciencia para el lubricante de la caja de cambios, que conserva energía de la batería de calefacción".

Engranajes que gire suavemente mientras los costos son bajos

El segundo documento dirigido por Hofmann vieron cómo BMGs podrían reducir el costo de la fabricación de engranajes de la onda de tensión. Este tipo de engranaje, que incluye un anillo metálico que se dobla como las vueltas del engranaje, es ubicuo en robots caros y difícil de producir en masa.

No sólo permiten BMGs estos engranajes para llevar a cabo a bajas temperaturas, pero también pueden ser fabricados en una fracción del costo de sus versiones de acero sin sacrificar el rendimiento. Esto es potencialmente un cambio en el juego para reducir el costo de los robots que utilizan engranajes de onda de tensión, ya que a menudo son su parte más cara.

"Masa produciendo marchas de la onda de tensión con BMGs puede tener un impacto importante en el mercado de la robótica de consumo", dijo Hofmann. "Esto es especialmente cierto para los robots humanoides, donde engranajes en las articulaciones pueden ser muy caros pero son necesarios para evitar agitar los brazos. El rendimiento a bajas temperaturas para naves espaciales JPL y el rovers parece ser un beneficio añadido feliz.»

El trabajo publicado por materiales de ingeniería avanzada vieron diseño y prueba de engranajes BMG para engranajes planetarios. Incluye colaboradores en Caltech y la Universidad de California San Diego.  Han publicado en informes científicos examina cómo BMGs pueden utilizarse para reducir el costo de los engranajes strainwave. También se incluyen colaboradores de Caltech.

El proyecto de bulto metálico engranajes de vidrio está financiado por un cambio del programa de la dirección la misión de la NASA espacio tecnología de desarrollo, que investiga a ideas y enfoques que podrían solucionar problemas tecnológicos significativos y revolucione los espacio de futuros esfuerzos.

Caltech dirige el JPL para la NASA.

Andrew Good
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
818-393-2433
andrew.c.good@jpl.nasa.gov

Traducción: El Quelonio Volador