Forscher entwickeln widerstandsfähigen 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 einen RoboBee entwickelt, der 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 der RoboBee der erste Mikroroboter ist, der von weichen Aktuatoren angetrieben wird und kontrollierten Flug erreichen kann.

Yufeng Chen ist Erstautor des Papiers und ehemaliger Doktorand und Postdoktorand am SEAS.

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

Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.

Probleme, die aufgetreten sind

Eines der Probleme, mit denen die Forscher konfrontiert waren, war die Leistungsdichte. Sie wandten sich an die 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 Isoliereigenschaften 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 Luftfahrzeug. Es bestand aus einem Stück vertikaler Faden, um den Aktuator vor Knicken zu schützen.

Flugfähigkeit

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

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

Elizabeth Farrell Helbling ist eine ehemalige Doktorandin am 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 besser als herkömmliche Antriebsstrategien aufprallen kann. Dies wäre bei potenziellen Anwendungen wie dem Fliegen durch Trümmer für Such- und Rettungsmissionen nützlich.”

Ein weiteres Modell ist der achtflügelige, vieraktorische RoboBee. Er ist in der Lage, kontrollierten Schwebeflug auszuführen, was das erste Mal von einem weich angetriebenen fliegenden Mikroroboter demonstriert wird.

Was kommt als Nächstes?

Die Forscher arbeiten nun daran, die Effizienz des weich angetriebenen RoboBees zu erhöhen. Er hat noch einen weiten Weg vor sich, bevor er herkömmlichen Flugrobotern gleichkommt.

Robert Wood ist ein Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences am 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.”