Forscher entwickeln widerstandsfähige RoboBee mit weichen Muskeln

Forscher am Harvard Microrobotics Laboratory an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS), zusammen mit dem Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, haben eine RoboBee entwickelt, die von weichen künstlichen Muskeln angetrieben wird. Der Mikroroboter ist in der Lage, gegen Wände zu prallen, auf den Boden zu fallen und mit anderen RoboBees zu kollidieren, ohne Schaden zu nehmen. Dies ist ein großer Moment für die Robotik, da die RoboBee der erste Mikroroboter ist, der von weichen Aktuatoren angetrieben wird und kontrollierten Flug erreichen kann.

Yufeng Chen ist der erste Autor des Papiers und ehemaliger Doktorand und Postdoktorand an der SEAS.

“Es gab einen großen Push im Bereich der Mikrorobotik, um mobile Roboter aus weichen Aktuatoren herzustellen, da sie so widerstandsfähig sind”, sagte Chen. “Allerdings haben viele Menschen in dem Bereich gezweifelt, dass sie für fliegende Roboter verwendet werden können, da die Leistungsdichte dieser Aktuatoren einfach nicht hoch genug war und sie sehr schwierig zu kontrollieren sind. Unser Aktuator hat eine ausreichend hohe Leistungsdichte und Kontrollierbarkeit, um schwebenden Flug zu erreichen.”

Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.

Probleme, die auftraten

Eines der Probleme, mit denen die Forscher konfrontiert waren, war die Leistungsdichte. Sie suchten nach den elektrisch angetriebenen weichen Aktuatoren, die im Labor von David Clarke, dem Extended Tarr Family Professor of Materials, entwickelt wurden. Die weichen Aktuatoren werden durch die Verwendung von dielektrischen Elastomeren hergestellt, die weiche Materialien mit starken isolierenden Eigenschaften sind. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, verformen sich die dielektrischen Elastomeren.

Nach der Verbesserung der Elektrodenleitfähigkeit konnte der Aktuator bei 500 Hertz betrieben werden. Dies ist ähnlich wie bei zuvor verwendeten starren Aktuatoren in Robotern.

Ein weiteres Problem mit weichen Aktuatoren ist, dass das System oft instabil wird. Um dies zu überwinden, entwickelten die Forscher ein leichtes Luftfahrtgerüst. Es bestand aus einem Stück vertikaler Faden, um zu verhindern, dass der Aktuator einbricht.

Flugfähigkeit

Innerhalb der kleinen Roboter können die weichen Aktuatoren leicht ausgetauscht und montiert werden. Die Forscher entwickelten mehrere Modelle der weich angetriebenen RoboBee, um die verschiedenen Flugfähigkeiten zu demonstrieren.

Ein Modell hat zwei Flügel und kann vom Boden abheben. Allerdings hat dieses Modell keine weitere Kontrolle. Ein Modell mit vier Flügeln und zwei Aktuatoren ist in der Lage, in einer überfüllten Umgebung zu fliegen. Innerhalb eines einzelnen Fluges kann die RoboBee mehrere Kollisionen vermeiden.

Elizabeth Farrell Helbling ist eine ehemalige Doktorandin an der SEAS und co-Autorin des Papiers.

“Ein Vorteil von kleinen, leichten Robotern ist ihre Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse”, sagte sie. “Der weiche Aktuator bietet einen zusätzlichen Vorteil, da er den Einfluss besser absorbieren kann als herkömmliche Antriebsstrategien. Dies wäre bei potenziellen Anwendungen wie dem Fliegen durch Trümmer für Such- und Rettungseinsätze nützlich.”

Ein weiteres Modell ist die achtflügelige, vier-Aktuator-RoboBee. Sie ist in der Lage, kontrollierten Schwebeflug zu performen, was das erste Mal ist, dass dies von einem weich angetriebenen fliegenden Mikroroboter demonstriert wurde.

Was kommt als Nächstes?

Die Forscher suchen nun nach Möglichkeiten, die Effizienz der weich angetriebenen RoboBee zu erhöhen. Sie hat noch einen langen Weg vor sich, bevor sie traditionelle Flugroboter einholen kann.

Robert Wood ist Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften an der SEAS. Er ist auch ein Kernmitglied des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering und senior Autor des Papiers.

“Weiche Aktuatoren mit muskelähnlichen Eigenschaften und elektrischer Aktivierung stellen eine große Herausforderung in der Robotik dar”, sagt Professor Wood. “Wenn wir hochleistungsfähige künstliche Muskeln entwickeln könnten, wäre der Himmel die Grenze für die Roboter, die wir bauen könnten.”