Desde su invención a finales de 1700 cuando el físico británico Denis Papin, nacido en Francia, el inventor de la olla a presión, propuso el principio del pistón, Los pistones se han utilizado para aprovechar la potencia de los fluidos para realizar trabajos en numerosas máquinas y dispositivos.

Los pistones convencionales están hechos de una cámara rígida y un pistón en el interior, que puede deslizarse a lo largo de la pared interior de la cámara manteniendo al mismo tiempo un sello hermético. Como resultado, el pistón divide dos espacios, que están llenos de dos fluidos y conectados a dos fuentes de fluidos exteriores. Si los fluidos tienen diferentes presiones, el pistón se deslizará en la dirección con la presión más baja y, al mismo tiempo, puede impulsar el movimiento de un eje u otro dispositivo para realizar un trabajo físico. Este principio se ha utilizado para diseñar muchas máquinas, incluyendo varios motores de pistón, elevadores hidráulicos y grúas como las que se utilizan en las obras, y herramientas eléctricas.

Sin embargo, los pistones convencionales adolecen de varias deficiencias:la alta fricción entre el pistón en movimiento y la pared de la cámara puede provocar la rotura del sello, fuga, y averías graduales o repentinas. Además, especialmente en el espectro de presión más bajo, La eficiencia energética y la velocidad de respuesta a menudo son limitadas.

Ahora, un equipo de roboticistas del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard, la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) ha desarrollado una nueva forma de diseñar pistones que reemplaza sus elementos rígidos convencionales por un mecanismo que utiliza estructuras comprimibles dentro de una membrana hecha de materiales blandos.

Los 'pistones de tensión' resultantes generan más de tres veces la fuerza de los pistones convencionales comparables, eliminar gran parte de la fricción, y a bajas presiones son hasta un 40 por ciento más eficientes energéticamente. El estudio se publica en Materiales funcionales avanzados .

"Estos" pistones tensores "fabricados con estructuras que incorporan blandos, Los materiales flexibles son un enfoque fundamentalmente nuevo para la arquitectura del pistón, que abren un amplio espacio de diseño. Podrían dejarse caer en máquinas, sustitución de pistones convencionales, proporcionando una mayor eficiencia energética, ", dijo Wood, miembro fundador de la facultad principal del Wyss Institute y coautor correspondiente, Doctor., quien también es Profesor Charles River de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en SEAS y codirector de la Iniciativa de Robótica Suave Bioinspirada del Instituto Wyss. "En tono rimbombante, este concepto también permite una gama de nuevas geometrías y variaciones funcionales que pueden permitir a los ingenieros inventar nuevas máquinas y dispositivos y miniaturizar los existentes ".

Wood dirigió el estudio junto con Daniela Rus, Doctor., Profesor y Director del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL) y Shuguang Li, Doctor., un becario postdoctoral guiado por Wood y Rus.

El concepto de pistón de tensión se basa en los 'músculos artificiales inspirados en origami impulsados ​​por fluidos' (FOAM) del equipo que utilizan materiales blandos para dar a los robots blandos más potencia y control de movimiento mientras mantienen sus arquitecturas flexibles. Las ESPUMA están hechas de una estructura doblada que está incrustada dentro de un fluido en una piel flexible y herméticamente sellada. Al cambiar la presión del fluido, la estructura similar a un origami se despliega o colapsa a lo largo de una trayectoria geométrica preconfigurada. que induce un cambio de forma en toda la ESPUMA, permitiéndole agarrar o soltar objetos o realizar otros tipos de trabajo.

"En principio, Exploramos el uso de ESPUMA como pistones dentro de una cámara rígida, "dijo Li." Mediante el uso de una membrana flexible unida a una estructura esquelética comprimible en el interior, y conectándolo a uno de los dos puertos de fluido, podemos crear un compartimiento de fluido separado que exhiba la funcionalidad de un pistón ".

Los investigadores demostraron que un aumento en la presión de conducción en el segundo depósito de fluido que rodea la membrana en la cámara aumenta las fuerzas de tensión en el material de la membrana que se transmiten directamente a la estructura esquelética unida. Al vincular físicamente el esqueleto con un elemento de accionamiento que sale de la cámara, La compresión del esqueleto está acoplada a un movimiento mecánico fuera del pistón.

"Mejores pistones podrían transformar fundamentalmente la forma en que diseñamos y utilizamos muchos tipos de sistemas, desde amortiguadores y motores de automóviles hasta excavadoras y equipos de minería, "dice Rus, Andrew (1956) y Erna Viterbi Professor de Ingeniería Eléctrica e Informática en el MIT. "Creemos que un enfoque como este podría ayudar a los ingenieros a idear diferentes formas de hacer sus creaciones más fuertes y más eficientes energéticamente".

El equipo probó su pistón contra un pistón convencional en una tarea de aplastamiento de objetos, y mostró que rompía objetos como lápices de madera a presiones de entrada mucho más bajas (presiones generadas en el compartimento de líquido que rodea la piel). A las mismas presiones de entrada, particularmente en el rango de presión más baja, los pistones de tensión desarrollaron fuerzas de salida más de tres veces mayores y muestran una eficiencia energética un 40 por ciento más alta al aprovechar la tensión inducida por el fluido en sus materiales de piel flexible.

"Al configurar los esqueletos comprimibles con geometrías muy diferentes, como una serie de discos discretos, como esqueletos con bisagras, o como esqueletos de primavera, las fuerzas de salida y los movimientos se vuelven altamente ajustables, ", dijo Li." Incluso podemos incorporar más de un pistón de tensión en una sola cámara, o vaya un paso más allá y fabrique también la cámara circundante con un material flexible como una tela de nailon hermética ".