Neue Technik verbessert die Leistung von fliegenden Mikrobotern

Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben eine neue Fertigungstechnik entwickelt, die die Herstellung von niedervoltigen, leistungs-dichten, hoch belastbaren weichen Aktuatoren für Luft-Mikroroboter ermöglicht. Die künstlichen Muskeln verbessern die Nutzlast des Roboters und ermöglichen es ihm, eine Spitzenleistung bei der Schwebeflug zu erzielen.

Künstliche Muskeln mit weniger Defekten

Die weichen Aktuatoren arbeiten mit 75 Prozent niedrigerer Spannung als die aktuellen Versionen und können 80 Prozent mehr Nutzlast tragen. Die künstlichen Muskeln, die durch die Fertigungstechnik hergestellt werden, haben auch weniger Defekte, was die Lebensdauer der Komponenten verlängert.

Kevin Chen ist der D. Reid Weedon, Jr. ‘41 Assistant Professor im Department of Electrical Engineering and Computer Science. Er ist auch der Leiter des Soft and Micro Robotics Laboratory im Research Laboratory of Electronics (RLE) und Senior-Autor der Forschung.

“Dies eröffnet uns viele Möglichkeiten in der Zukunft, um Power-Elektronik auf den Mikroroboter zu übertragen. Die Menschen denken oft, dass weiche Roboter nicht so leistungsfähig sind wie starre Roboter. Wir demonstrieren, dass dieser Roboter, der weniger als ein Gramm wiegt, am längsten fliegt und den kleinsten Fehler während eines Schwebeflugs aufweist. Die Kernbotschaft ist, dass weiche Roboter die Leistung von starren Robotern übertreffen können”, sagt Chen.

Die Forschung wurde in Advanced Materials veröffentlicht.

Der rechteckige Roboter wiegt weniger als ein Viertel eines Pennys und hat vier Sätze von Flügeln, die jeweils von einem weichen Aktuator angetrieben werden. Die muskelähnlichen Aktuatoren bestehen aus Schichten von Elastomeren, die zwischen zwei dünnen Elektroden sitzen. Wenn eine Spannung auf den Aktuator angewendet wird, quetschen die Elektroden das Elastomer, was zu einer mechanischen Dehnung führt, die den Flügel flattern lässt.

Das Team konnte einen Aktuator mit 20 Schichten herstellen, von denen jede 10 Mikrometer dick war.

Spin-Coating-Prozess

Eines der größten Hindernisse, mit denen das Team konfrontiert war, war der Spin-Coating-Prozess, bei dem ein Elastomer auf eine flache Oberfläche gegossen und schnell rotiert wird. Die Zentrifugalkraft führt dazu, dass der Film nach außen gezogen wird und dünner wird.

“Bei diesem Prozess kommt Luft in das Elastomer und erzeugt viele mikroskopische Luftbläschen. Der Durchmesser dieser Luftbläschen beträgt kaum 1 Mikrometer, so dass wir sie bisher einfach ignoriert haben. Aber wenn man immer dünnere Schichten herstellt, wird der Effekt der Luftbläschen stärker und stärker. Das ist traditionell der Grund, warum man diese sehr dünnen Schichten nicht herstellen konnte”, erklärt Chen.

Indem ein Vakuumprozess direkt nach dem Spin-Coating durchgeführt wird, können die Luftbläschen entfernt und das Elastomer getrocknet werden.

Durch die Entfernung dieser Defekte wird die Leistung des Aktuators um mehr als 300 Prozent erhöht und seine Lebensdauer wird erheblich verbessert.

Die Forscher verwendeten diese Techniken, um den 20-Schichten-Aktuator herzustellen, der dann gegen ihre vorherige 6-Schichten-Version und starre Aktuatoren getestet wurde.

Der 20-Schichten-Aktuator, der weniger als 500 Volt benötigt, um zu arbeiten, erzeugte genug Leistung, um dem Roboter ein Gewicht-Verhältnis von 3,7 zu 1 zu geben, was bedeutet, dass er Gegenstände tragen kann, die etwa dreimal so schwer sind wie er selbst.

Das Team führte auch erfolgreich einen 20-Sekunden-Schwebeflug durch, was laut Chen der längste je aufgezeichnete Flug eines Subgramm-Roboters ist.

“Vor zwei Jahren haben wir den leistungsstärksten Aktuator entwickelt und er konnte kaum fliegen. Wir begannen, uns zu fragen, ob weiche Roboter jemals mit starren Robotern konkurrieren können. Wir beobachteten ein Defekt nach dem anderen, also arbeiteten wir weiter und lösten ein Fertigungsproblem nach dem anderen, und jetzt holt die Leistung des weichen Aktuators auf. Sie sind sogar ein bisschen besser als die aktuellen starren Aktuatoren. Und es gibt noch eine Reihe von Fertigungsprozessen in der Materialwissenschaft, die wir nicht verstehen. Also bin ich sehr aufgeregt, die Aktuations-Spannung weiter zu reduzieren”, sagt er.

Das Team sucht jetzt nach Methoden, die präziser sind als das Spin-Coating, um die Schichten dünner zu machen. Chen hofft, dass die Dicke auf nur 1 Mikrometer reduziert werden kann.