Trudno sobie wyobrazić istnienie cywilizacji bez kół. Są one tak wszechobecne, że często bierzemy je za pewnik, którego nie trzeba ulepszać. To błąd, przynajmniej jeżeli chodzi o koła wózków inwalidzkich, które zazwyczaj słabo radzą sobie z nierównymi powierzchniami, utrudniając komfortowe przemieszczenie się. To samo dotyczy mobilnych robotów, które działają dobrze, gdy znajdują się na drodze, chodniku lub innej stosunkowo płaskiej powierzchni. Gdy pojawiają się wyboje i przeszkody, robi się problem.
Czytaj też: Ford wchodzi na rynek rowerów elektrycznych. Mustang i Bronco na dwóch kołach
Teraz grupa koreańskich badaczy dosłownie wynalazła koło na nowo, opracowując system, który zmienia kształt w czasie rzeczywistym. To z kolei umożliwia łatwiejsze pokonywanie przeszkód terenowych i podróżowanie poza utartymi szlakami. Szczegóły opisano w czasopiśmie Science Robotics.
Zmiennokształtne koło dla lepszych wózków inwalidzkich i robotów
Zmiennokształtne koła nie są niczym nowym – kilka lat temu swoją wersję zaprezentował producent opon Hankook, który nawiązał współpracę z naukowcami z Seoul National University i Harvard University. W międzyczasie NASA stworzyła opony do swoich łazików kosmicznych wykonane ze stopu niklu i tytanu, które mogły odkształcać się aż do osi, a następnie powracać do pierwotnego kształtu.
Czytaj też: Oto najszybszy motocykl na świecie. Ta rakieta na dwóch kołach ustanowiła nowy rekord świata
Warto także zauważyć, że problem spowodowany nierównym podłożem można pokonać stosując system gąsienicowy, który jest jednak ograniczony do niskich prędkości i zużywa więcej energii niż klasyczne układy kołowe (ze względu na wysokie tarcie). Inną opcją są opony bezpowietrzne, które są odporne na przebicia, przecieki i wybuchy. Ale ich sztywność oznacza, że nie sprawdzają się one do pokonywania wysokich przeszkód, ponieważ tylko nieznacznie się odkształcają.
I tu docieramy do wynalazku naukowców z Korea Institute of Machinery and Materials na University of Science and Technology. Zainspirowani napięciem powierzchniowym kropli cieczy, stworzyli oni koło o zmiennej sztywności, które bez problemu pokona nierówny teren, a gdy toczy się po płaskim terenie, zachowuje zalety standardowego układu jezdnego.
Napięcie powierzchniowe cieczy wynika z braku równowagi sił przyciągania lub spójności między cząsteczkami. Podczas gdy cząsteczka w cieczy luzem doświadcza sił spójności z innymi cząsteczkami we wszystkich kierunkach, cząsteczka na powierzchni cieczy doświadcza jedynie sił spójności netto skierowanych do wewnątrz. W kropli, gdy siła spójności cząsteczek powierzchniowych wzrasta, siła netto przyciągająca cząsteczki cieczy do wewnątrz również wzrasta, co powoduje, że kropla powraca do kształtu okrągłego.
Kluczowym elementem zmiennokształtnego koła jest “inteligentna struktura łańcuchowa”, składająca się z łańcucha bloków wokół zewnętrznej strony, połączonych szprychami z przeciwległymi stronami centralnej piasty. Zmieniając szczelinę między dwoma stronami piasty, można zmieniać długość samych szprych, a tym samym kształt zewnętrznego łańcucha. Zwiększenie szczeliny między piastą skraca szprychy, zmuszając blok łańcucha do utworzenia okrągłego kształtu i zapewniając szybką lokomocję. Zmniejszenie jej wydłuża szprychy i rozluźnia blok łańcucha, umożliwiając mu odkształcanie się i pokonywanie przeszkód – dobrze to widać na załączonym materiale wideo.
Naukowcy przetestowali swoje adaptowalne koło w dwukołowym wózku inwalidzkim i czterokołowym pojeździe i odkryli, że każdy z nich mógł dostosować się i przejechać przez duże stopnie i skały o nieregularnych kształtach 1,2 razy wyższe niż promień koła. Projekt nie jest jednak skończony. Kurz i drobiny brudu przedostają się do obszarów między blokami łańcucha i powodują uszkodzenia koła, co trzeba wyeliminować w przyszłych iteracjach.