Инженеры создали первую шестерню без зубцов, работающую на потоках жидкости

На протяжении тысячелетий механические шестерни двигали человеческие изобретения – от древних колесниц до роботизированных рук. Теперь впервые инженеры построили шестерню, которая не зависит от твёрдых зубцов или даже физического контакта

Команда из Нью-Йоркского университета продемонстрировала, что шестерни могут функционировать исключительно за счёт гидродинамики, создавая бесконтактный механизм, способный передавать движение с удивительной точностью и адаптивностью.

Исследование, опубликованное 13 января в Physical Review Letters, заменяет металлические или пластиковые зубцы обычных шестерён на контролируемые потоки жидкости. В экспериментах физики NYU погрузили два цилиндра в вязкую смесь воды с глицерином. Когда один цилиндр вращался, создаваемые им жидкостные потоки передавали движение другому, имитируя работу классических шестерён – только без прямого контакта частей.

Результаты зависели от расстояния между цилиндрами. На коротких дистанциях жидкость формировала микроскопические вихри, заставлявшие второй цилиндр вращаться в противоположном направлении, воспроизводя поведение традиционных шестерён.

Когда цилиндры располагались дальше друг от друга, тот же поток огибал их как невидимый ремень, тянув оба ротора в одном направлении. Открытие продемонстрировало два различных режима передачи движения, оба полностью управляемые потоком жидкости.

Так как компоненты никогда не соприкасаются, механизм защищён от заклинивания и устойчив к мусору – проблемам, которые преследуют традиционные системы во всех отраслях. В классических механизмах даже одна песчинка или незначительное смещение могут остановить всю работу. В системе, работающей на жидкости, жидкость просто обтекает препятствие.

Помимо долговечности, жидкостные шестерни открывают уровень гибкости, которого не могут достичь механические версии. Регулировка скорости потока или вязкости может мгновенно изменить передаточное отношение системы, создавая саморегулирующийся привод, идеальный для мягкой робототехники и адаптивных конструкций. Вместо смазки движущихся стальных компонентов для предотвращения износа инженеры однажды могут полностью заменить их специальными смесями жидкостей.

В мягких роботах, например, шестерни на жидкости могут располагаться между стандартным двигателем и гибким суставом, преобразуя жёсткое вращательное движение в плавное контролируемое движение внутри герметичной конечности. Дизайнеры могли бы приводить в действие руки на основе силикона через общий жидкостный контур, а не устанавливать отдельные коробки передач в каждом суставе.

Новый робот Boston Dynamics двигается неестественно для человека, вращая голову, торс и конечности на 360 градусов

Так как части не соприкасаются, система уменьшает жёсткие точки защемления и зоны напряжения – критическое преимущество для роботов, работающих рядом с людьми или деликатными объектами. Тот же принцип может обеспечить распределённое приведение в действие в пневматических или гидравлических мягких роботах, где сеть жидкостных шестерён распределяет поток и крутящий момент по различным секциям тела.

Однако, инженерам предстоит еще много работы, в особенности по ускорению передачи движения.