Ny teknik forbedrer flying microbotternes præstation

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology har udviklet en ny fremstillingsmetode, der muliggør produktion af lavspændings-, krafttætte, højholdbare bløde aktuatorer til luftbårne mikroroboter. De kunstige muskler forbedrer robotterne og giver dem mulighed for at opnå bedste-i-klassen svævepræstation.

Kunstige Muskler Med Færre Defekter

De bløde aktuatorer fungerer med 75 procent lavere spænding end nuværende versioner og kan bære 80 procent mere last. De kunstige muskler, der produceres ved hjælp af fremstillingsmetoden, har også færre defekter, hvilket forlænger komponenternes levetid.

Kevin Chen er D. Reid Weedon, Jr. ’41-assistentprofessor i afdelingen for elektroteknik og datalogi. Han er også leder af Soft and Micro Robotics Laboratory i Research Laboratory of Electronics (RLE) og seniorforfatter til forskningen.

“Dette åbner op for mange muligheder i fremtiden for os for at gå over til at placere kraftelektronik på mikrorobotten. Folk tenderer til at tro, at bløde robotter ikke er lige så kapable som stive robotter. Vi demonstrerer, at denne robot, der vejer mindre end et gram, flyver i længst tid med den mindste fejl under en svæveflyvning. Hovedbudskabet er, at bløde robotter kan overgå stive robotters præstation,” siger Chen.

Forskningen er offentliggjort i Advanced Materials.

Den rektangulære robot vejer mindre end en kvart penny, og den har fire sæt vinger, der hver er drevet af en blød aktuator. De muskel-lignende aktuatorer består af lag af elastomer, der sidder mellem to tynde elektroder. Når spænding tilføres aktuatoren, trykker elektroderne elastomeret, hvilket resulterer i en mekanisk strækning, der får vingen til at flappe.

Holdet var i stand til at skabe en aktuator med 20 lag, hver med en tykkelse på 10 mikrometer.

Spin Coating Process

En af de største hindringer, som holdet stod over for, var spin-coatingsprocessen, der indebærer, at en elastomer hældes på en flad overflade og hurtigt roteres. Centrifugalkraften får filmen til at blive trukket udad og blive tyndere.

“I denne proces kommer luft tilbage i elastomeret og skaber mange mikroskopiske luftbobler. Diameteren af disse luftbobler er kun 1 mikrometer, så tidligere ignorerede vi dem bare. Men når man får tyndere og tyndere lag, bliver effekten af luftboblerne stærkere og stærkere. Det er traditionelt hvorfor folk ikke har kunnet lave disse meget tynde lag,” forklarer Chen.

Ved at udføre en vakuumproces lige efter spin-coating fjernes luftboblerne, og elastomeret kan bages for at tørre.

Ved at fjerne disse defekter øges aktuatoren kraftudgang med mere end 300 procent, og dens levetid forbedres betydeligt.

Forskerne brugte disse teknikker til at skabe den 20-lags kunstige muskel, der derefter blev testet mod deres tidligere 6-lags version og state-of-the-art, stive aktuatorer.

Den 20-lags aktuator, der kræver mindre end 500 volt for at fungere, udøvede nok kraft til at give robotten en løft-til-vægt-forhold på 3,7 til 1, hvilket betyder, at den kan bære genstande, der er omkring tre gange dens egen vægt.

Holdet udførte også en 20-sekunders svæveflyvning, hvilket ifølge Chen er den længste nogensinde registrerede for en subgram-robot.

“For to år siden skabte vi den mest krafttætte aktuator, og den kunne knap flyve. Vi begyndte at undre os, om bløde robotter nogensinde kan konkurrere med stive robotter? Vi observerede defekt efter defekt, så vi fortsatte med at arbejde og løste ét fremstillingsproblem efter another, og nu er den bløde aktuatoren næsten lige så god som de stive. De er endda lidt bedre end state-of-the-art stive aktuatorer. Og der er stadig en række fremstillingsprocesser i materialevidenskab, som vi ikke forstår. Så jeg er meget spændt på at fortsætte med at reducere aktiveringsspændingen,” siger han.

Holdet ser nu mod metoder, der er mere præcise end spin-coating for at gøre lagene tyndere. Chen håber, at tykkelsen kan reduceres ned til kun 1 mikrometer.