Nouvelle technique améliore les performances des microbots volants

Les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont développé une nouvelle technique de fabrication qui permet la production d’actionneurs souples à basse tension, à haute densité de puissance et à grande endurance pour les microrobots aériens. Les muscles artificiels améliorent la charge utile du robot et lui permettent d’atteindre des performances de vol stationnaire de classe mondiale.

Muscles Artificiels Avec Moins de Défauts

Les actionneurs souples fonctionnent avec une tension 75 pour cent inférieure à celle des versions actuelles et transportent 80 pour cent de charge utile en plus. Les muscles artificiels produits par la technique de fabrication ont également moins de défauts, ce qui prolonge la durée de vie des composants.

Kevin Chen est le professeur assistant D. Reid Weedon, Jr. ‘41 au département de génie électrique et d’informatique. Il est également à la tête du laboratoire de robotique souple et micro-robotique du Research Laboratory of Electronics (RLE) et auteur principal de la recherche.

“Cela ouvre de nombreuses opportunités pour nous dans le futur pour passer à la mise en place d’électronique de puissance sur le microrobot. Les gens ont tendance à penser que les robots souples ne sont pas aussi capables que les robots rigides. Nous démontrons que ce robot, qui pèse moins d’un gramme, vole pendant le temps le plus long avec la plus petite erreur lors d’un vol stationnaire. Le message à retenir est que les robots souples peuvent dépasser les performances des robots rigides”, déclare Chen.

La recherche a été publiée dans Advanced Materials.

Le robot rectangulaire pèse moins d’un quart de centime et comporte quatre ensembles d’ailes, chacun actionné par un actionneur souple. Les actionneurs musculaires sont constitués de couches d’élastomère qui se situent entre deux électrodes minces. Lorsque la tension est appliquée à l’actionneur, les électrodes compressent l’élastomère, ce qui entraîne une déformation mécanique qui fait battre l’aile.

L’équipe a pu créer un actionneur avec 20 couches, chacune mesurant 10 micromètres d’épaisseur.

Procédé de Revêtement par Centrifugation

L’un des principaux obstacles auxquels l’équipe a été confrontée est le procédé de revêtement par centrifugation, qui consiste à verser un élastomère sur une surface plane et à la faire tourner rapidement. La force centrifuge entraîne le film à être tiré vers l’extérieur pour devenir plus mince.

“Dans ce processus, l’air pénètre à nouveau dans l’élastomère et crée de nombreuses bulles d’air microscopiques. Le diamètre de ces bulles d’air est à peine de 1 micromètre, donc auparavant, nous les avons simplement ignorées. Mais lorsque vous obtenez des couches de plus en plus minces, l’effet des bulles d’air devient de plus en plus fort. C’est traditionnellement pourquoi les gens n’ont pas pu faire ces couches très minces”, explique Chen.

En effectuant un processus de vide immédiatement après le revêtement par centrifugation, les bulles d’air sont supprimées et l’élastomère peut être cuit pour sécher.

En supprimant ces défauts, la puissance de l’actionneur est augmentée de plus de 300 pour cent, et sa durée de vie est considérablement améliorée.

Les chercheurs ont utilisé ces techniques pour créer le muscle artificiel à 20 couches, qui a ensuite été testé contre leur version précédente à 6 couches et les actionneurs rigides à l’état de l’art.

L’actionneur à 20 couches, qui nécessite moins de 500 volts pour fonctionner, exerce une puissance suffisante pour donner au robot un rapport portance/poids de 3,7 à 1, ce qui signifie qu’il peut transporter des objets d’environ trois fois son poids.

L’équipe a également réussi à effectuer un vol stationnaire de 20 secondes, ce qui, selon Chen, est le plus long jamais enregistré pour un robot subgramme.

“Il y a deux ans, nous avons créé l’actionneur le plus dense en puissance et il pouvait à peine voler. Nous avons commencé à nous demander si les robots souples pouvaient jamais rivaliser avec les robots rigides. Nous avons observé un défaut après un autre, nous avons donc continué à travailler et nous avons résolu un problème de fabrication après un autre, et maintenant les performances de l’actionneur souple rattrapent celles des actionneurs rigides. Ils sont même un peu meilleurs que les actionneurs rigides à l’état de l’art. Et il y a encore un certain nombre de processus de fabrication en science des matériaux que nous ne comprenons pas. Je suis donc très enthousiaste à l’idée de continuer à réduire la tension d’actionnement”, déclare-t-il.

L’équipe cherche maintenant des méthodes plus précises que le revêtement par centrifugation pour rendre les couches plus minces. Chen espère que l’épaisseur peut être réduite à seulement 1 micromètre.