1700’lerin sonlarında Fransız Fizikçi Denis Papin; (düdüklü tencerenin mucidi) piston prensibini önerdiğinde, pistonlar birçok makinede ve cihazda çalışma yapmak ve akışkanların gücünü kullanmak için kullanıldı.
Geleneksel pistonlar, sert bir bölmeden ve içinde bir pistondan yapılır; piston bölmenin iç duvarı boyunca kayabilir ve aynı zamanda sıkı bir sızdırmazlık sağlar. Sonuç olarak, piston iki sıvıyla dolu ve iki dış akışkan kaynağına bağlı iki alanı böler. Akışkanların farklı basınçları varsa; piston düşük basınçla bir yöne kayacak ve aynı zamanda fiziksel iş yapmak için bir şaftın veya başka bir cihazın hareketini çalıştırabilir. Bu prensip; çeşitli pistonlu motorlar, hidrolik kaldırıcılar ve şantiyelerde kullanılanlar gibi vinçler ve elektrikli aletler dahil olmak üzere pek çok makineyi tasarlamak için kullanılmıştır.
Bununla birlikte; geleneksel pistonlar birkaç eksiklikten muzdariptir: Hareketli piston ile hazne duvarı arasındaki yüksek sürtünme contanın bozulmasına, sızıntıya ve kademeli veya ani arızalara neden olabilir. Ek olarak; özellikle düşük basınç spektrumunda; enerji verimliliği ve tepki hızı genellikle sınırlıdır.
Harvard Wyss Biyolojik Müdahale Mühendisliği Enstitüsü, Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu (SEAS) ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT)’den bir robotik ekibi; geleneksel pistonları değiştirmek için yeni bir tasarım geliştirdi. Tasarım; yumuşak malzemelerden yapılmış bir zarın içinde sıkıştırılabilir yapılar kullanan bir mekanizmaya sahip, geleneksel sert elemanlar içeriyor.
Elde edilen “gerdirme pistonları”; karşılaştırılabilir geleneksel pistonların gücünün üç katından daha fazlasını üretiyor. Böylece sürtünmenin çoğunu ortadan kaldırıyor ve düşük basınçlarda % 40’a kadar daha fazla enerji verimliliği sağlıyor.
Wyss Enstitüsü, “Yumuşak, esnek malzemeler içeren yapılarla üretilmiş” bu “gergi pistonlarının”, piston mimarisine temelde yeni bir yaklaşım olacağını, geniş bir tasarım alanı açacağını belirtiyor.
SEAS Charles River Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Profesörü ve Wyss Institute Founding Core Faculty’de Eş Yazar Wood: “Bu konsept; aynı zamanda mühendisleri yeni makineler ve cihazlar icat etmeye ve mevcut olanları küçültmeye teşvik edebilecek bir dizi yeni geometri ve fonksiyonel varyasyona olanak tanıyor.”
Gergi pistonu kavramı; ekibin esnek mimarilerini korurken yumuşak robotlara daha fazla güç ve hareket kontrolü sağlamak için yumuşak akışkan malzemeler kullanan origami esintili yapay kaslara (FOAM) dayanıyor. FOAM (KÖPÜKLER), esnek ve hava geçirmez şekilde kapatılmış bir yüzeyde; sıvı içinde gömülü katlanmış bir yapıdan yapılmıştır. Akışkan basıncının değiştirilmesi; origami benzeri yapıyı, önceden yapılandırılmış bir geometrik yol boyunca açılmak veya çökmek üzere tetikler; bu, FOAM’ın tamamında şekil kaymasına neden olarak nesnelerin kavranmasına veya salıverilmesine veya başka türden çalışmalara neden olur.
Araştırmacı Shuguang Li: “Prensip olarak FOAM’ların sert bir bölme içinde piston olarak kullanılmasını araştırdık. İçinde sıkıştırılabilir bir iskelet yapısına bağlanmış ve onu iki sıvı portundan birine bağlanan esnek bir membran kullanarak, bir pistonun işlevselliğini sergileyen ayrı bir sıvı bölmesi oluşturabiliriz.”
Araştırmacılar; bölmedeki zarı çevreleyen ikinci sıvı rezervuarında, sürüş basıncındaki bir artışın, doğrudan bağlanmış iskelet yapıya iletilen zar malzemesindeki gerilme kuvvetlerini arttırdığını göstermiştir. İskeleti; bölümden çıkan bir harekete geçirici eleman ile fiziksel olarak bağlayarak, iskeletin sıkıştırılmasıyla, pistonun dışındaki mekanik bir harekete birleştirir.
MIT’de Elektrik Mühendisliği ve Andrew (1956) Rus ve Erna Viterbi Yapay Zeka Laboratuvarı (CSAIL) Profesörü ve Direktörü Daniela Rus: “Daha iyi pistonlar; amortisör ve araba motorlarından buldozerlere ve madencilik ekipmanlarına kadar pek çok sistem tasarlama ve kullanma biçimimizi temelde değiştirebilir. Bunun gibi bir yaklaşımın mühendislerin yarattıklarını daha güçlü ve daha enerji verimli hale getirmek için, farklı yollar tasarlamalarına yardımcı olabileceğini düşünüyoruz.”
Ekip; pistonlarını nesne kırma görevinde geleneksel bir pistona karşı test etti ve çok daha düşük giriş basınçlarında (yüzeyi çevreleyen sıvı bölmesinde üretilen basınçlar) ahşap kalemler gibi nesneleri kırdığını gösterdi. Aynı giriş basınçlarında; özellikle daha düşük basınç aralığında, gergi pistonları, üç kattan daha büyük çıkış kuvvetleri geliştirdi ve esnek deri malzemelerinde akışkanın neden olduğu gerilimi kullanarak, % 40’tan daha fazla enerji verimliliği sergiledi.
Li: “Sıkıştırılabilir iskeletleri; (menteşeli iskeletler veya yaylı iskeletler gibi) bir dizi ayrı disk gibi çok farklı geometrilerle yapılandırdığımızda, çıkış kuvvetleri ve hareketleri çok iyi ayarlanabiliyor. Tek bir bölmeye, birden fazla gerilim pistonu dahil edebilir veya bir adım daha ileri gidilebilir ve ayrıca bölmeyi, hava geçirmez bir naylon kumaş gibi esnek bir malzeme ile imal edebiliriz.”
