连续 11 分钟伏地挺身!日本东京大学 JSK 实验室研发能靠 "出汗" 冷却马达的 Kengoro 机器人

 

伴随人形机器人作动时的高力矩(torque),马达会产出大量热能,进一步妨碍机器人执行任务的表现与效率。过去这些多馀热能多半是以装设传统散热器来解决;然而,10 月在南韩大田广域市所举办的 IEEE/RSJ 国际智慧型机器人与系统会议(IROS 2017)上,由日本东京大学 JSK 机器人实验室稻叶雅幸(Masayuki Inaba)教授领军的研究团队,却提出一种能大幅降低机器人体积重量丶且更有效率的散热方法:让机器人 "出汗"!

 

 

 

 

 

仿人体骨骼与关节配置的 Kengoro 机器人高 170 公分,重 56 公斤,全身上下共配备了惊人的 108 具马达,再加上各部位密集的零件丶线路及电路板,实在缺乏空间再加装传统的风扇与散热器。於是,研究团队开始钻研如何有效运用 Kengoro 机器人的金属骨架来散热,使既有框架 "物尽其用" 成为运输丶传导冷却剂的通道。

 

尽管如此,光是直接让水在 Kengoro 机器人的骨架内循环是不够的,因为这样还是得找地方架设散热器。於是研究人员转念一想:要是模仿人体的排汗机制,改采 "被动" 的方式来传导液体,让水从骨架自然 "渗出"丶蒸发散热,不知效果如何?

 

 

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这个设计的秘诀就在於骨架的制成方式。Kengoro 机器人的骨架采铝粉搭配雷射烧结法(laser sintering)打造而成,可藉由控制雷射的能量密度(energy density)改变成品的可渗透性(permeability),造出极其精细繁复丶布满微小排水孔道的 3D 金属结构;同时,透过这种制程方式,研究团队也得以将不同密度的里层金属(孔洞较少)搭配需要加快散热至空气中的表层(孔洞较密集)金属,一层层交叠,精准控制机器人的 "排汗率",避免水流过多造成短路。而机器人的 "汗腺" 则如下图所示,以模组形态环绕 Kengoro 全身上下的马达配置,达到快速冷却马达的效果。

 

值得注意的是,尽管有这样的特殊孔洞设计,Kengoro 机器人的骨架却仍能维持应有的强韧度。影片中,可以看见 Kengoro 机器人四肢具有弹性,而研究团队成员用板子击打,仍能正常运作。本研究的首席研究员 Toyotaka Kozuki 表示:"过去机器人的骨架只有单一支撑功能,我们的研究则赋予骨架同时具备运输水分丶释放多馀热能的多项用途,并保留支撑的强度。"

 

 

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那麽,这种 "健康排汗法" 的散热效率究竟有多高呢?据研究显示,只要提供一杯去离子水作为冷却剂,Kengoro 机器人就可以顺利运转达半天之久——不过,如果要持续让机器人在高功率的情况下进行激烈运动,Kengoro 机器人就跟人类一样,必须持续补充水分才行。

 

更重要的是,跟传统散热方式相较,JSK 机器人实验室所研发的这种 "排汗法",散热效率要比空气冷却法(air cooling)高 3 倍,也比单纯让水在机器人内部循环要有效率得多;虽然偏被动散热的 "排汗法" 还无法跟主动散热的传统散热器效率匹敌,但在重量丶空间有限的机器人身上,这种新方法却能大量节省电力的消耗丶使机具结构更轻便;这项发明不仅让 Kengoro 机器人能在全部马力开动下 "伏地挺身" 长达 11 分钟不中断,都不会有马达过热的问题发生,也让未来人形机器人的研发,有了更多可能。

 

 

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