火星車所用金屬玻璃齒輪擴大商用 推進協作機器人發展

儘管技術的進步讓機器人行業快速發展,但真正進入日常生活的僅限於智能掃地機器人等,和我們在科幻片中看到的機器人相去甚遠。NASA 衍生公司 Amorphology 首席技術官 Glenn Garrett 表示,造成這種情況的主要原因有兩個:成本和安全性。

火星車所用金屬玻璃齒輪擴大商用 推進協作機器人發展

大多數自動化機械仍然只有那些能進行重大投資並期望長期節省的大型製造商才能負擔得起。雖然機器人佔據了越來越多的工廠車間,但出於安全考慮,它們通常與人類同事隔離 – 基本上對周圍環境一無所知,它們既強壯又笨拙。

而降低機器人成本的重要突破口就是金屬玻璃,利用 3D 打印技術可以合成堅硬、光滑的表面。這使金屬玻璃齒輪具有較長的使用壽命,無需使用液體潤滑劑,這使它們對在寒冷環境中運行的 NASA 機器人具有吸引力。此前在這種環境中,需要在運行前加熱潤滑劑。

NASA 的好奇號火星車每次穿越火星時,都要花費大約三個小時為其齒輪加熱潤滑油。為了幫助未來的漫遊車節省時間和能源,美國宇航局投資了大塊金屬玻璃,用於不需要潤滑的齒輪。

火星車所用金屬玻璃齒輪擴大商用 推進協作機器人發展

Garrett 表示:“這就是機器人行業的發展方向”。現在,總部位於加利福尼亞州帕薩迪納的 Amorphology 希望通過最初為從未用於人類交互的機器人 (NASA 的行星漫遊者)而取得的進步降低協作機器人的價格。

NASA 漫遊車上的齒輪與地球上的大多數齒輪一樣,都是由鋼製成,既堅固又耐磨。但是鋼齒輪需要液體潤滑,而油在月球或火星表面等寒冷環境中效果不佳。因此,例如,美國宇航局的好奇號火星車每次準備開始滾動時都會花費大約三個小時來預熱潤滑劑,消耗了大約四分之一的可支配能量,否則這些能量本來可以用於科學。

着眼於解決這個問題和其他與材料相關的問題 ,2010 年,噴氣推進實驗室聘請了 Hofmann,當時他是加州理工學院的一名研究科學家,擁有材料科學和工程背景。美國宇航局在噴氣推進實驗室資助了一個新的冶金設施,以探索齒輪的替代品並開發新的金屬合金。

從他在加州理工學院管理噴氣推進實驗室開始,霍夫曼就熟悉一類新興的特殊工程材料,稱為塊狀金屬玻璃,也稱為非晶金屬。這些是金屬合金,可以在它們的原子形成所有其他金屬共有的晶格結構之前從液態快速冷卻到固態。相反,原子像玻璃一樣隨機排列,賦予玻璃和金屬的材料特性。

根據它們的組成元素——通常包括鋯、鈦和銅——它們可以非常堅固,並且因為它們不是結晶的,所以它們是有彈性的。霍夫曼解釋說,大多數組合物還會形成堅硬、光滑的陶瓷氧化物表面,並指出這些特性共同使由一些非晶態金屬製成的齒輪具有較長的使用壽命而無需潤滑。這對 NASA 非常重要,因為您可以在不潤滑變速箱的情況下運行變速箱。

火星車所用金屬玻璃齒輪擴大商用 推進協作機器人發展

但是非晶態金屬還有另一個特性,使它們對地球上的齒輪具有吸引力:“這些合金的設計熔點很低,因為要製造金屬玻璃,必須使合金的冷卻速度快於它的結晶速度,”Hofmann說。這種低熔點,加上它們的天然強度和固化時體積幾乎不變化的事實,使大塊金屬玻璃易於用於注塑成型,這可以顯着降低製造齒輪等零件的成本。

Hofmann 說,這就是使用非晶態金屬成型可以帶來最大節省的地方:它的成本大約是用鋼加工應變波齒輪的一半。成型小型、高性能行星齒輪和應變波齒輪成為 Hofmann 於 2014 年共同創立的 Amorphology 的核心業務計劃。通過加州理工學院,該公司獲得了他為 NASA 開發的多項技術專利。