새로운 기술, 비행 마이크로봇의 성능 개선

매사추세츠 공과 대학의 연구자들은 저전압, 고출력, 내구성이 높은 소프트 액추에이터를 제작할 수 있는 새로운 제조 기술을 개발했습니다. 이 기술은 공중 미니 로봇에 사용되며, 인공 근육은 로봇의 페이로드를 개선하고 최고의 호버링 성능을 달성할 수 있습니다.

결함이 적은 인공 근육

소프트 액추에이터는 현재 버전보다 75% 낮은 전압으로 작동하며 80% 더 많은 페이로드를 운반할 수 있습니다. 제조 기술로 제작된 인공 근육은 결함이 적어 구성 요소의 수명을 연장합니다.

케빈 첸은 전기 공학 및 컴퓨터 과학부의 D. Reid Weedon, Jr. ’41 조교수이며, Research Laboratory of Electronics (RLE)의 Soft and Micro Robotics Laboratory의 책임자입니다. 그는 또한 이 연구의 선임 저자입니다.

첸은 “이 기술은 미래에 마이크로봇에 전력 전자 장치를 탑재할 수 있는 많은 기회를 열어줍니다. 사람들은 소프트 로봇이剛性 로봇만큼 능력이 없다고 생각하는 경향이 있습니다. 그러나 우리는이 로봇이 1그램 미만의 무게로 비행 시간이 가장 길고 호버링 비행 중 오차가 가장 작은 것을 보여줍니다. 핵심 메시지는 소프트 로봇이剛性 로봇의 성능을 초과할 수 있다는 것입니다.”라고 말합니다.

이 연구는 Advanced Materials에 발표되었습니다.

사각형 로봇은 한 펜니의 4분의 1보다 적은 무게를 가지며, 4개의 날개 세트가 있으며 각 날개는 소프트 액추에이터에 의해 구동됩니다. 근육과 같은 액추에이터는 두 개의 얇은 전극 사이에 엘라스토머 층이 있습니다. 전압이 액추에이터에 적용되면 전극이 엘라스토머를 압축하여 날개를 구동하는 기계적 변형이 발생합니다.

연구팀은 10마이크로미터 두께의 20개의 층으로 구성된 액추에이터를 제작할 수 있었습니다.

스핀 코팅 공정

연구팀이 직면한 주요 장애물 중 하나는 엘라스토머를 평면에倒고 빠르게 회전하는 스핀 코팅 공정에서 발생했습니다. 원심력으로 인해 필름이 얇아집니다.

첸은 “이 공정에서 공기가 엘라스토머로 돌아와 많은 미세한 기포를 생성합니다. 이 기포의 직경은 1마이크로미터에 불과합니다. 이전에는 이를 무시했습니다. 그러나 층이 더 얇아질수록 기포의 영향이 더 커집니다. 이것이 사람들이 매우 얇은 층을 만들 수 없었던 이유입니다.”라고 설명합니다.

스핀 코팅 직후 진공 공정을 수행하면 기포가 제거되고 엘라스토머를 건조할 수 있습니다.

이 결함을 제거하면 액추에이터의 출력이 300% 이상 증가하며 수명이 크게 향상됩니다.

연구자들은 이러한 기술을 사용하여 20층 인공 근육을 제작하고, 이전의 6층 버전과剛性 액추에이터와 비교했습니다.

20층 액추에이터는 500볼트 미만의 전압으로 작동하며, 로봇에 3.7 대 1의 리프트 대 중량 비율을 제공하여 로봇의 중량의 약 3배에 해당하는 항목을 운반할 수 있습니다.

연구팀은 또한 20초 동안 호버링 비행을 성공적으로 수행했으며, 첸에 따르면 이는 1그램 미만의 로봇이 기록한 가장 긴 비행 시간입니다.

첸은 “2년 전, 우리는 가장 강력한 액추에이터를 만들었지만 거의 비행할 수 없었습니다. 우리는 소프트 로봇이剛性 로봇과 경쟁할 수 있는지 궁금해했습니다. 우리는 하나씩 결함을 관찰하고, 계속해서 작업하여 제조 문제를 해결했습니다. 이제 소프트 액추에이터의 성능은剛性 액추에이터의 성능을 따라가고 있습니다. 심지어少し 더 나은 성능을 보입니다. 아직도 이해하지 못하는 재료 과학의 제조 공정들이 많습니다. 그래서 나는 작동 전압을 줄이기 위해 계속해서 노력할 것입니다.”라고 말합니다.

연구팀은 지금 스핀 코팅보다 더 정밀한 방법을 사용하여 층을 더 얇게 만들고 있습니다. 첸은 두께를 1마이크로미터까지 줄일 수 있기를 바랍니다.