新しい技術でフライングマイクロボットの性能が向上

マサチューセッツ工科大学の研究者は、低電圧、パワーデンス、耐久性の高いソフトアクチュエーターを空中ミクロボット用に開発する新しい製造技術を開発しました。人工筋肉はロボットのペイロードを改善し、ベストインクラスのホバリング性能を実現します。

欠陥の少ない人工筋肉

ソフトアクチュエーターは、現在のバージョンよりも75パーセント低い電圧で動作し、80パーセント多くのペイロードを運ぶことができます。製造技術によって生成される人工筋肉も、欠陥が少なく、コンポーネントの寿命が延長されます。

ケビン・チェンは、電気工学およびコンピューターサイエンス学部のD. リード・ウィードン・ジュニア教授であり、研究室のソフトおよびマイクロロボティクス研究所の責任者でもあります。また、研究の筆頭著者でもあります。

「これは、将来的にマイクロボットにパワーエレクトロニクスを搭載するための多くの機会を開くものです。人々は、ソフトロボットは剛性ロボットほど能力がないと考える傾向があります。しかし、私たちは、このロボットが1グラム未満の重量で最長の時間飛行し、ホバリング飛行中の最小の誤差で飛行することを実証しました。主なメッセージは、ソフトロボットが剛性ロボットの性能を上回ることができるということです」とチェンは述べています。

この研究は、Advanced Materialsに掲載されました。

長方形のロボットは、1/4ペニー未満の重量で、4つのウィングセットがあり、それぞれがソフトアクチュエーターによって駆動されます。筋肉のようなアクチュエーターは、2つの薄い電極の間に配置されたエラストマーの層で構成されています。電圧がアクチュエーターに適用されると、電極はエラストマーを圧縮し、ウィングを羽ばたかせる機械的歪みが生じます。

チームは、各層の厚さが10マイクロメートルの20層のアクチュエーターを作成することができました。

スピンコーティングプロセス

チームが直面した主な障害の1つは、スピンコーティングプロセスで発生しました。このプロセスでは、エラストマーが平面に流し込まれ、急速に回転されます。遠心力により、フィルムが引っ張られ、薄くなるようになります。

「このプロセスでは、空気がエラストマーに戻り、多くの微小な気泡が形成されます。気泡の直径はほんの1マイクロメートルなので、以前はこれらを無視していました。しかし、層が薄くなるにつれて、気泡の影響が強くなります。これが、従来、非常に薄い層を作ることができなかった理由です」とチェンは説明しています。

スピンコーティングの直後に真空プロセスを実行すると、気泡が除去され、エラストマーを焼いて乾燥させることができます。

これらの欠陥を除去することで、アクチュエーターの出力が300パーセント以上増加し、寿命が大幅に改善されます。

研究者は、これらの技術を使用して20層の人工筋肉を作成し、それを以前の6層バージョンおよび最先端の剛性アクチュエーターと比較してテストしました。

20層アクチュエーターは、500ボルト未満で動作し、ロボットに3.7対1のリフト重量比を与え、ロボットの重量の約3倍のアイテムを運ぶことができました。

チームはまた、20秒間のホバリング飛行を成功させました。これは、チェンによると、サブグラムロボットによって記録された最長の飛行時間です。

「2年前、私たちは最もパワーデンスの高いアクチュエーターを作成しましたが、それはほとんど飛ぶことができませんでした。私たちは、ソフトロボットは剛性ロボットと競争できるかどうか疑問に思っていました。私たちは1つずつ欠陥を観察し、続けて作業し、1つずつ製造上の問題を解決しました。現在、ソフトアクチュエーターの性能は追いついてきています。実際、最先端の剛性アクチュエーターよりも少し優れています。まだ、材料科学における多くの製造プロセスが理解されていません。したがって、作動電圧を低減し続けることに非常に興奮しています」とチェンは述べています。

チームは現在、層を薄くするためにスピンコーティングよりも精密な方法を探しています。チェンは、厚さを1マイクロメートルまで減らすことを希望しています。

そして、材料科学におけるこれらのプロセスについてまだ理解されていないことが多いため、作動電圧を低減し続けることに非常に興奮しています」とチェンは述べています。チームは現在、層を薄くするためにスピンコーティングよりも精密な方法を探しています。チェンは、厚さを1マイクロメートルまで減らすことを希望しています。