Nueva técnica mejora el rendimiento de los microbots voladores

Los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts han desarrollado una nueva técnica de fabricación que permite la producción de actuadores suaves de baja tensión, alta densidad de potencia y gran resistencia para microrobots aéreos. Los músculos artificiales mejoran la carga útil del robot y le permiten lograr un rendimiento de suspensión en el aire de clase mundial.

Músculos Artificiales Con Menos Defectos

Los actuadores suaves operan con un 75 por ciento menos de tensión que las versiones actuales y transportan un 80 por ciento más de carga útil. Los músculos artificiales producidos por la técnica de fabricación también tienen menos defectos, lo que prolonga la vida útil de los componentes.

Kevin Chen es el profesor asistente D. Reid Weedon, Jr. ’41 en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación. También es el jefe del Laboratorio de Robótica Suave y Micro en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y autor principal de la investigación.

“Esto abre un montón de oportunidades en el futuro para que podamos transitar a poner electrónica de potencia en el microrobot. La gente tiende a pensar que los robots suaves no son tan capaces como los robots rígidos. Demostramos que este robot, que pesa menos de un gramo, vuela durante el tiempo más largo con el menor error durante un vuelo en suspensión. El mensaje principal es que los robots suaves pueden superar el rendimiento de los robots rígidos”, dice Chen.

La investigación se publicó en Materiales Avanzados.

El robot rectangular pesa menos de un cuarto de un centavo, y tiene cuatro conjuntos de alas que son impulsados por un actuador suave. Los actuadores musculares consisten en capas de elastómero que se sitúan entre dos electrodos delgados. Cuando se aplica tensión al actuador, los electrodos comprimen el elastómero, lo que resulta en una deformación mecánica que hace que el ala se mueva.

El equipo logró crear un actuador con 20 capas, cada una de 10 micrómetros de grosor.

Proceso de Recubrimiento por Centrifugación

Uno de los principales obstáculos que enfrentó el equipo fue el proceso de recubrimiento por centrifugación, que implica verter un elastómero sobre una superficie plana y girar rápidamente. La fuerza centrífuga hace que la película sea atraída hacia afuera y se vuelva más delgada.

“En este proceso, el aire vuelve al elastómero y crea un montón de burbujas microscópicas de aire. El diámetro de estas burbujas de aire es apenas de 1 micrómetro, así que anteriormente las ignorábamos. Pero cuando se obtienen capas más y más delgadas, el efecto de las burbujas de aire se vuelve más y más fuerte. Esa es tradicionalmente la razón por la que la gente no ha podido hacer estas capas muy delgadas”, explica Chen.

Al realizar un proceso de vacío justo después del recubrimiento por centrifugación, se eliminan las burbujas de aire y el elastómero se puede hornear para secarlo.

Al eliminar estos defectos, la potencia de salida del actuador se incrementa en más del 300 por ciento, y su vida útil se mejora significativamente.

Los investigadores utilizaron estas técnicas para crear el músculo artificial de 20 capas, que luego se probó contra su versión anterior de 6 capas y los actuadores rígidos de última generación.

El actuador de 20 capas, que requiere menos de 500 voltios para funcionar, ejerce suficiente potencia para dar al robot una relación de levantamiento a peso de 3,7 a 1, lo que significa que puede transportar artículos que pesan aproximadamente tres veces su peso.

El equipo también realizó con éxito un vuelo en suspensión de 20 segundos, lo que, según Chen, es el vuelo en suspensión más largo registrado por un robot subgramo.

“Hace dos años, creamos el actuador más denso en términos de potencia y apenas podía volar. Empezamos a preguntarnos, ¿pueden los robots suaves competir con los robots rígidos? Observamos un defecto tras otro, así que seguimos trabajando y resolvimos un problema de fabricación tras otro, y ahora el rendimiento del actuador suave está alcanzando a los robots rígidos. Incluso son un poco mejores que los actuadores rígidos de última generación. Y todavía hay un número de procesos de fabricación en ciencia de materiales que no entendemos. Así que estoy muy emocionado de seguir reduciendo la tensión de activación”, dice.

El equipo ahora está buscando métodos que sean más precisos que el recubrimiento por centrifugación para hacer que las capas sean más delgadas. Chen espera que el grosor se pueda reducir a solo 1 micrómetro.