Nová technika zlepšuje výkon létajících mikrobotů

Výzkumníci z Massachusettského technologického institutu vyvinuli novou výrobní techniku, která umožňuje výrobu nízkonapěťových, vysokohustotných a vysoce odolných měkkých aktuatorů pro letecké mikroboty. Umělé svaly zlepšují nosnost robota a umožňují mu dosáhnout nejlepších výsledků ve výkonu při vznášení.

Umělé svaly s menšími defekty

Měkké aktuary fungují s 75 procenty nižším napětím než současné verze a nesou o 80 procent více nákladu. Umělé svaly vyrobené pomocí této výrobní techniky také mají méně defektů, což prodlužuje životnost součástí.

Kevin Chen je asistent profesora D. Reid Weedon, Jr. ‘41 na katedře elektrotechniky a počítačových věd. Je také vedoucím laboratoře Soft a Micro Robotics Laboratory v Research Laboratory of Electronics (RLE) a hlavním autorem výzkumu.

“To otevírá mnoho příležitostí do budoucna pro přechod na použití power elektroniky na mikrobotovi. Lidé mají tendenci myslet si, že měkké roboty nejsou tak schopné jako tuhé roboty. Ukazujeme, že tento robot, který váží méně než gram, létá nejdelší dobu s nejmenší chybou během vznášení. Hlavní poselství je, že měkké roboty mohou překonat výkon tuhých robotů,” říká Chen.

Výzkum byl zveřejněn v Pokročilých materiálech.

Čtvercový robot váží méně než čtvrtinu penny a má čtyři sady křídel, každé poháněné měkkým aktuatorem. Svalové aktuary se skládají z vrstev elastomeru, které jsou umístěny mezi dvě tenké elektrody. Když je na aktuator aplikováno napětí, elektrody stlačují elastomer, což vede k mechanické deformaci, která rozvíjí křídla.

Tým byl schopen vytvořit aktuator se 20 vrstvami, každou o tloušťce 10 mikrometrů.

Proces spinování

Jednou z hlavních překážek, se kterými se tým potýkal, byl proces spinování, který zahrnuje nalití elastomeru na rovnou plochu a rychlé otočení. Centrifugální síla způsobuje, že film je tažen ven a stává se tenčím.

“V tomto procesu se vzduch dostává zpět do elastomeru a vytváří mnoho mikroskopických vzduchových bublinek. Průměr těchto bublinek je téměř 1 mikrometr, takže dříve jsme je prostě ignorovali. Ale když se vrstvy stávají tenčími a tenčími, efekt vzduchových bublinek se stává silnějším a silnějším. To je tradičně důvod, proč lidé nemohli vyrobit tyto velmi tenké vrstvy,” vysvětluje Chen.

Prováděním vakuového procesu hned po spinování jsou vzduchové bublinky odstraněny a elastomer může být pečený, aby se vysušil.

Odstraněním těchto defektů se výkon aktuatoru zvýší o více než 300 procent a jeho životnost se významně prodlouží.

Výzkumníci použili tyto techniky k vytvoření 20vrstvého umělého svalu, který byl poté testován proti jejich předchozí 6vrstvé verzi a aktuálním tuhým aktuatorům.

20vrstvý aktuator, který vyžaduje méně než 500 voltů pro provoz, vyvinul dostatečnou sílu, aby robotovi umožnil dosáhnout poměru vzletu k hmotnosti 3,7 ku 1, což znamená, že může nést předměty o hmotnosti téměř trojnásobku své vlastní hmotnosti.

Tým také úspěšně provedl 20sekundový let ve vznášení, což podle Chena je nejdelší zaznamenaný let subgramového robota.

“Před dvěma lety jsme vytvořili nejvýkonnější aktuator a mohl sotva létat. Začali jsme se ptát, zda měkké roboty mohou kdy konkurovat tuhým robotům? Pozorovali jsme jeden defekt za druhým, takže jsme pokračovali a řešili jeden výrobní problém za druhým, a nyní je výkon měkkého aktuatoru začínající dohánět. Jsou dokonce немного lepší než aktuální tuhé aktuary. A stále existuje řada výrobních procesů v materiálové vědě, které neznáme. Takže jsem velmi nadšený, že mohu pokračovat ve snižování aktivačního napětí,” říká.

Tým se nyní zaměřuje na metody, které jsou přesnější než spinování, aby mohly být vrstvy tenčí. Chen doufá, že tloušťka může být snížena na pouhý 1 mikrometr.