連續 11 分鐘伏地挺身!日本東京大學 JSK 實驗室研發能靠「出汗」冷卻馬達的 Kengoro 機器人

 

伴隨人形機器人作動時的高力矩(torque),馬達會產出大量熱能,進一步妨礙機器人執行任務的表現與效率。過去這些多餘熱能多半是以裝設傳統散熱器來解決;然而,10 月在南韓大田廣域市所舉辦的 IEEE/RSJ 國際智慧型機器人與系統會議(IROS 2017)上,由日本東京大學 JSK 機器人實驗室稻葉雅幸(Masayuki Inaba)教授領軍的研究團隊,卻提出一種能大幅降低機器人體積重量、且更有效率的散熱方法:讓機器人「出汗」!

 

 

 

 

 

仿人體骨骼與關節配置的 Kengoro 機器人高 170 公分,重 56 公斤,全身上下共配備了驚人的 108 具馬達,再加上各部位密集的零件、線路及電路板,實在缺乏空間再加裝傳統的風扇與散熱器。於是,研究團隊開始鑽研如何有效運用 Kengoro 機器人的金屬骨架來散熱,使既有框架「物盡其用」成為運輸、傳導冷卻劑的通道。

 

儘管如此,光是直接讓水在 Kengoro 機器人的骨架內循環是不夠的,因為這樣還是得找地方架設散熱器。於是研究人員轉念一想:要是模仿人體的排汗機制,改採「被動」的方式來傳導液體,讓水從骨架自然「滲出」、蒸發散熱,不知效果如何?

 

 

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這個設計的祕訣就在於骨架的製成方式。Kengoro 機器人的骨架採鋁粉搭配雷射燒結法(laser sintering)打造而成,可藉由控制雷射的能量密度(energy density)改變成品的可滲透性(permeability),造出極其精細繁複、布滿微小排水孔道的 3D 金屬結構;同時,透過這種製程方式,研究團隊也得以將不同密度的裡層金屬(孔洞較少)搭配需要加快散熱至空氣中的表層(孔洞較密集)金屬,一層層交疊,精準控制機器人的「排汗率」,避免水流過多造成短路。而機器人的「汗腺」則如下圖所示,以模組形態環繞 Kengoro 全身上下的馬達配置,達到快速冷卻馬達的效果。

 

值得注意的是,儘管有這樣的特殊孔洞設計,Kengoro 機器人的骨架卻仍能維持應有的強韌度。影片中,可以看見 Kengoro 機器人四肢具有彈性,而研究團隊成員用板子擊打,仍能正常運作。本研究的首席研究員 Toyotaka Kozuki 表示:「過去機器人的骨架只有單一支撐功能,我們的研究則賦予骨架同時具備運輸水分、釋放多餘熱能的多項用途,並保留支撐的強度。」

 

 

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那麼,這種「健康排汗法」的散熱效率究竟有多高呢?據研究顯示,只要提供一杯去離子水作為冷卻劑,Kengoro 機器人就可以順利運轉達半天之久——不過,如果要持續讓機器人在高功率的情況下進行激烈運動,Kengoro 機器人就跟人類一樣,必須持續補充水分才行。

 

更重要的是,跟傳統散熱方式相較,JSK 機器人實驗室所研發的這種「排汗法」,散熱效率要比空氣冷卻法(air cooling)高 3 倍,也比單純讓水在機器人內部循環要有效率得多;雖然偏被動散熱的「排汗法」還無法跟主動散熱的傳統散熱器效率匹敵,但在重量、空間有限的機器人身上,這種新方法卻能大量節省電力的消耗、使機具結構更輕便;這項發明不僅讓 Kengoro 機器人能在全部馬力開動下「伏地挺身」長達 11 分鐘不中斷,都不會有馬達過熱的問題發生,也讓未來人形機器人的研發,有了更多可能。

 

 

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