Китайские инженеры научили электронику потеть для охлаждения
Китайские инженеры придумали, как охлаждать электронику при помощи испарения жидкости. Для этого они создали покрытие, которое набирает влагу из воздуха, затем испаряя ее при нагреве. В первую очередь, это востребовано для мобильных устройств, где невозможно установить вентилятор. Описание изобретения опубликовано в журнале Joule.
При работе электронные устройства могут сильно нагреваться — это легко заметить, например, пользуясь ресурсоемким приложением на смартфоне. Настольные компьютеры и ноутбуки также греются, и для охлаждения на них устанавливают радиаторы и вентиляторы. Для мобильных устройств это плохо подходит, а перегрев ведет к снижению скорости работы, программным ошибкам, а иногда и к необратимому повреждению, поэтому инженеры постоянно в поиске новых эффективных способов охлаждения.
Группа инженеров под руководством Ружу Вана (Ruzhu Wang) из Шанхайского университета транспорта предложила использовать систему, отдаленно напоминающую потоотделение у млекопитающих. Для этого они решили использовать металлорганические каркасные структуры (MOF). Это композиты, состоящие из наноскопических частиц полимеров и металлов. В них много микропор и, по сути, из этого материала изготавливают очень эффективные губки, которые способны набирать из воздуха влагу сами по себе. Ранее уже высказывались идеи добывать влагу из воздуха в пустынных районах при помощи таких композитов, но их высокая цена за грамм пока не позволяет сделать эту технологию массовой.
Идея китайских инженеров проста — покрыть нагревающиеся поверхности MOF. При малой нагрузке на процессор, будучи холодным, материал будет набирать воду. При нагревании жидкость начнет испаряться, не давая температуре расти дальше. Продолжительность эффекта, само собой, напрямую зависит от количества запасенной влаги.
В своих экспериментах группа Вана покрыла пластину площадью 162 сантиметров менее чем 0,3 граммами MOF. За счет малого количества используемого материала цена не сильно увеличивается, зато время нагрева пластины до 60 градусов Цельсия по сравнению с непокрытой при толщине слоя 198 микрометров удвоилось с пяти минут до одиннадцати. Если увеличить толщину слоя до 516 микрометров, время нагрева составляет уже 19 минут. При этом материал быстро набирает воду, самостоятельно перезаряжается при выключении нагрева и потом снова готов к работе.
Авторы разработки отмечают, что перед коммерческим использованием необходимо увеличить собственную температурную проводимость используемым MOF, иначе после исчерпания запаса влаги пористый материал будет работать, наоборот, как одеяло. Также необходимо дальнейшее снижение цены используемых материалов. После решения этих проблем инженеры рассчитывают, что их технология будет использована для охлаждения мобильных телефонов, планшетов, электробатарей и других устройств, периодически испытывающих сильный нагрев.
Поиском способа компактного и надежного охлаждения микроэлектроники последние годы заняты многие. Ранее инженеры компании Intel предложили охлаждать процессоры при помощи прыгающих капель, а японцы испытали потеющего робота.
И реагировать на них движениями
Американские инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов, которые помогают ощущать прикосновения с помощью вшитых датчиков нажима. Свитеры пригодятся, чтобы управлять движениями роботов на производстве. Работа доступна на arXiv.org. Для работы на производстве с людьми, роботам нужно быть очень осторожными, чтобы случайно не травмировать человека. Есть разные способы сделать роботов безопасными, например прикреплять к ним мягкие подушки. Другая идея — научить роботов быстро определять контакт и отодвигаться от человека. В отличие от людей, у роботов нет кожи, но для них можно сделать другую систему для распознавания ощущений из жестких или эластичных материалов, или даже одежду из текстиля, если встроить в нее датчики прикосновений. Одежду можно быстро изготавливать на ткацком станке в промышленных масштабах, и надевать на роботов разных форм и размеров. Группа инженеров из Университета Карнеги под руководством Джеймса МакКанна (James McCann) и Ян Вэньчжэня (Yuan Wenzhen) создала свитеры для роботов, которые могут надежно определять прикосновения. По словам авторов, обычно у текстильных сенсоров есть проблема: они быстро деформируются и перестают надежно работать. Исследователи попробовали с этим справиться, связав свитеры из трех слоев пряжи. Верхний и нижний слой сделаны из обычного нейлона, на котором чередуются широкие и узкие полосы. Широкие полосы сотканы из полиэстеровой металлизированной пряжи, которая хорошо проводит электричество, а узкие полосы изолятора сделаны из акрила. Средний слой — это сетка из района (искусственного шелка). Чем она тоньше, тем выше чувствительность свитера к легким прикосновениям, и наоборот — плотный средний слой подходит для сильных нажатий. Слои ткани с помощью пуговиц с проводами соединяются с устройством для считывания сопротивления, и вместе с ним превращаются в электронную схему. Когда кто-то дотрагивается до свитера, верхний и нижний слои ткани соприкасаются через отверстия в районовой сетке, и сопротивление в системе уменьшается. По сопротивлению можно определить силу нажатия. Инженеры протестировали, насколько надежно устройство определяет силу и место контакта со свитером. Первая серия экспериментов проверяла, как эффективность сенсоров меняется со временем. Эксперименты включали 42 секунды контакта с сенсорами по 20-30 раз на протяжении 4 дней. Авторы не приводят точные цифры результатов, но утверждают что сенсоры показывали стабильные результаты по определению места контакта все 4 дня, с небольшими погрешностями в конце эксперимента. Также исследователи протестировали точность сенсоров на плоской и изогнутой поверхности. На плоской поверхности по сопротивлению датчиков можно было точно определить силу нажатия. На изогнутой поверхности корреляция между сопротивлением и силой нажатия сохранилась, но выросло ее стандартное отклонение. Таким образом, сложность поверхности негативно повлияла на точность определения нажатия. Наконец, инженеры проверили эффективность чувствительных свитеров на роботах. Они надели свитер на робота Kuri, который должен был повернуть голову в ответ на прикосновение. В будущем технологию RobotSweater можно использовать, чтобы обучать роботов: например, похлопать по плечу в качестве похвалы. Пока инженеры показали, как свитеры могут пригодиться на производстве: например, промышленный робот в свитере останавливается и меняет направление движения в ответ на прикосновения. https://www.youtube.com/watch?v=YGUV1dHuCRc Прикосновения может определять не только одежда для роботов, но и искусственная кожа, которую разработала группа ученых из Стэнфордского университета. Пока кожу испытали на крысах, но авторы планируют в будущем встроить ее в человеческие протезы, чтобы улучшить их чувствительность.