Lanzar una pelota de béisbol y podría decirse que está todo en la muñeca.

Para robots, todo está en los engranajes.

Los engranajes son esenciales para la robótica de precisión. Permiten que las extremidades giren suavemente y se detengan cuando se les ordene; Los engranajes de baja calidad hacen que las extremidades se muevan o se sacudan. Si está diseñando un robot para recoger muestras o agarrar una repisa, el tipo de engranajes que necesitará no vendrá de una ferretería.

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

"Aunque las BMG se han explorado durante mucho tiempo, comprender cómo diseñarlos e implementarlos en hardware estructural ha resultado difícil de alcanzar, ", dijo Hofmann." Nuestro equipo de investigadores e ingenieros en JPL, en colaboración con grupos de Caltech y UC San Diego, finalmente han sometido a los BMG a las pruebas necesarias para demostrar sus posibles beneficios para las naves espaciales de la NASA. Estos materiales pueden ofrecernos soluciones para la movilidad en entornos hostiles, como en Europa, la luna de Júpiter ".

Receta para el equipo perfecto

¿Cómo puede este material misterioso ser a la vez un metal y un vidrio? El secreto está en su estructura atómica. Los metales tienen un arreglo cristalino. Pero si los calientas hasta convertirlos en un líquido, se funden y los átomos se vuelven aleatorios. Déjalos enfriar lo suficientemente rápido, aproximadamente 1, 832 grados Fahrenheit (1, 000 grados Celsius) por segundo, y puede atrapar sus no cristalinos, forma "líquida" en su lugar.

Esto produce una disposición aleatoria de átomos con un amorfo, o microestructura no cristalina. Esa estructura da a estos materiales sus nombres comunes:"metales amorfos, "o vidrio metálico.

En virtud de enfriarse tan rápidamente, el material es técnicamente un vidrio. Puede fluir fácilmente y moldearse por soplado cuando se calienta, como el cristal de una ventana. Cuando este material vítreo se produce en partes superiores a aproximadamente cuatro décimas de pulgada (1 milímetro), se llama vidrio metálico "a granel", o BMG.

Los vidrios metálicos se desarrollaron originalmente en Caltech en Pasadena, California, en 1960. Desde entonces, se han utilizado para fabricar de todo, desde teléfonos móviles hasta palos de golf.

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

Entre sus atractivas cualidades, Las BMG tienen bajas temperaturas de fusión. Eso permite que las piezas se moldeen utilizando tecnología de moldeo por inyección, similar a lo que se usa en la industria del plástico, pero con mucha mayor fuerza y ​​resistencia al desgaste. Las BMG tampoco se vuelven quebradizas en condiciones de frío extremo, un factor que puede provocar la fractura de los dientes de un engranaje. Esta última cualidad hace que el material sea particularmente útil para los tipos de robótica que se realizan en el JPL.

Hofmann dijo que los engranajes fabricados con BMG pueden "funcionar en frío y en seco":las pruebas iniciales han demostrado un par fuerte y un giro suave sin lubricante. incluso a -328 grados Fahrenheit (-200 grados Celsius). Para los robots enviados a paisajes helados, eso puede ser una ventaja para ahorrar energía. El rover Mars Curiosity de la NASA, por ejemplo, gasta energía calentando la grasa lubricante cada vez que necesita moverse.

"Poder operar engranajes a la baja temperatura de las lunas heladas, como Europa, es un potencial cambio de juego para los científicos, "dijo R. Peter Dillon, un tecnólogo y gerente de programas en el Grupo de Tecnología de Fabricación y Desarrollo de Materiales de JPL. "Ya no es necesario desviar la energía de los instrumentos científicos para calentar el lubricante de la caja de cambios, que conserva la preciosa energía de la batería ".

Engranajes que giran suavemente mientras reducen costos

El segundo artículo dirigido por Hofmann analizó cómo las BMG podrían reducir el costo de fabricación de engranajes de ondas de deformación. Este tipo de equipo, que incluye un anillo de metal que se flexiona a medida que gira el engranaje, es complicado de producir en masa y omnipresente en robots costosos.

Los BMG no solo pueden permitir que estos engranajes funcionen a bajas temperaturas, pero también se pueden fabricar a una fracción del costo de sus versiones de acero sin sacrificar el rendimiento. Esto es potencialmente un cambio de juego para reducir el costo de los robots que usan engranajes de ondas de tensión, ya que suelen ser su parte más cara.

"La producción masiva de engranajes de ondas de deformación que utilizan BMG puede tener un impacto importante en el mercado de la robótica de consumo, ", Dijo Hofmann." Esto es especialmente cierto para los robots humanoides, donde los engranajes en las articulaciones pueden ser muy costosos pero son necesarios para evitar que los brazos se muevan. El rendimiento a bajas temperaturas de las naves espaciales y los rovers del JPL parece ser un feliz beneficio añadido ".

El artículo publicado por Materiales de ingeniería avanzada examinó el diseño y la prueba de engranajes BMG para cajas de engranajes planetarios. Incluyó colaboradores en Caltech y UC San Diego. El trabajo publicado en Informes científicos examina cómo se pueden usar las BMG para reducir el costo de los engranajes de ondas de tensión. También incluyó colaboradores de Caltech.

El proyecto Bulk Metallic Glass Gears está financiado por el Programa de Desarrollo de Cambio de Juego de la Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA, que investiga ideas y enfoques que podrían resolver problemas tecnológicos importantes y revolucionar los esfuerzos espaciales futuros.