Uusi tekniikka parantaa lentävien mikrobotien suorituskykyä

Massachusettsin teknillisen korkeakoulun tutkijat ovat kehittäneet uuden valmistustekniikan, joka mahdollistaa matalajännitteisten, tehokkaiden ja kestävien pehmeiden aktuaattorien valmistuksen ilmaston mikroroboteille. Näiden keinotekoisten lihasten ansiosta robotti pystyy kuljettamaan suuremman kuorman ja saavuttamaan parhaan luokkansa leijumissuorituskyvyn.

Keinotekoiset lihakset vähemmällä virheellä

Pehmeät aktuaattorit toimivat 75 prosentilla alempaa jännitettä kuin nykyiset versiot ja kuljettavat 80 prosentilla enemmän kuormaa. Uuden valmistustekniikan avulla tuotettujen keinotekoisten lihasten virheellisyys on vähäisempää, mikä pidentää komponenttien käyttöikää.

Kevin Chen on sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen apulaisprofessori ja pehmeän ja mikrorobotiikan laboratorion johtaja. Hän on myös tutkimuksen seniorkirjoittaja.

“Tämä avaa monia tulevaisuuden mahdollisuuksia siirtymiseen kohti tehokkaampien voimaelektroniikkaa mikrorobottiin. Ihmiset usein ajattelevat, että pehmeät robotit eivät ole yhtä kykeneviä kuin jäykät robotit. Osoitamme, että tämä alle gramman painoinen robotti lentää pisimmän ajan pienimmällä virheellä leijumislennossa. Asia on, että pehmeät robotit voivat ylittää jäykien robotien suorituskyvyn”, Chen sanoo.

Tutkimus on julkaistu Advanced Materials -julkaisussa.

Neliskulmainen robotti painaa alle yhden pennyin neljänneksen, ja siinä on neljä siipiparia, joita jokainen on kytketty pehmeään aktuaattoriin. Lihasmaiset aktuaattorit koostuvat elastomeerikerroksista, jotka sijaitsevat kahden ohuen sähköden välissä. Kun jännite käytetään aktuaattoriin, sähködet puristavat elastomeeria, mikä aiheuttaa mekaanisen venymän, joka liikuttaa siipeä.

Tutkijaryhmä pystyi luomaan 20 kerroksisen aktuaattorin, jossa jokainen kerros on 10 mikrometrin paksuinen.

Spin Coating -prosessi

Yksi tutkijaryhmän kohtaamista suurista esteistä oli spin coating -prosessi, jossa elastomeeri kaadetaan litteälle pinnalle ja pyöritetään nopeasti. Sentrifugaalivoima aiheuttaa, että elastoomeeriin tulee ilmakuplia.

“Tässä prosessissa ilma pääsee takaisin elastomeeriin ja luo paljon mikroskooppisia ilmakuplia. Näiden ilmakuplien halkaisija on vain 1 mikrometri, joten aiemmin me vain ohittamme ne. Mutta kun saadaan ohuempia ja ohuempia kerroksia, ilmakuplien vaikutus kasvaa vahvemmaksi ja vahvemmaksi. Perinteisesti ihmiset eivät ole pystyneet valmistamaan näin ohuita kerroksia”, Chen selittää.

Suorittamalla imuprosessin välittömästi spin coatingin jälkeen, ilmakuplat poistetaan ja elastomeeri voidaan paistaa kuivaksi.

Poistamalla nämä virheet, aktuaattorin teho kasvaa yli 300 prosentilla, ja sen käyttöikä paranee merkittävästi.

Tutkijat käyttivät näitä tekniikoita luomaan 20-kerroksisen keinotekoisen lihaksen, jota testattiin aiemman 6-kerroksisen version ja nykyaikaisen jäykän aktuaattorin kanssa.

20-kerroksinen aktuaattori, joka vaatii alle 500 volttia toimimaan, tuottaa tarpeeksi voimaa antamaan robotille 3,7:1 nosto-painosuhde, mikä tarkoittaa, että se voi kuljettaa esineitä, jotka ovat noin kolme kertaa sen oman painonsa.

Tutkijaryhmä suoritti myös 20 sekunnin leijumislennon, joka Chenin mukaan on pisin koskaan tallennettu alle gramman painoiselle robotille.

“Kaksi vuotta sitten luomme tehokkaimman aktuaattorin, ja se lensi vain vaivoin. Alkoin ihmetellä, voivatko pehmeät robotit koskaan kilpailla jäykien robotien kanssa? Havaitsemme yhden virheen toisensa jälkeen, joten jatkamme työtä ja ratkaisemme yhden valmistusongelman toisensa jälkeen, ja nyt pehmeän aktuaattorin suorituskyky on saavuttamassa jäykien robotien suorituskyvyn. Ne ovat jopa hieman parempia kuin nykyaikaiset jäykät. On edelleen monia valmistusprosesseja materiaalitieteessä, joita emme ymmärrä. Olen siis erittäin innostunut jatkamaan työtä aktuaattorijännitteen alentamiseksi”, hän sanoo.

Tutkijaryhmä etsii nyt menetelmiä, jotka ovat tarkinpin spin coatingia, jotta kerrokset voidaan tehdä ohuemmiksi. Chen toivoo, että paksuuden voidaan laskea vain yhteen mikrometriin.