Nieuwe techniek verbetert prestaties van vliegende microbots

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology hebben een nieuwe fabricagetchniek ontwikkeld die het mogelijk maakt om lage-spanning, krachtige, hoge duurzaamheid soft actuators voor luchtvaartmicroboten te produceren. De kunstmatige spieren verbeteren de payload van de robot en laten hem een best-in-class zweefprestatie bereiken.

Kunstmatige spieren met minder defecten

De soft actuators werken met 75 procent lagere spanning dan de huidige versies en kunnen 80 procent meer payload dragen. De kunstmatige spieren die worden geproduceerd door de fabricagetchniek hebben ook minder defecten, waardoor de levensduur van de componenten wordt verlengd.

Kevin Chen is de D. Reid Weedon, Jr. ’41 assistent-professor in de afdeling Elektrotechniek en Informatica. Hij is ook het hoofd van het Soft and Micro Robotics Laboratory in het Research Laboratory of Electronics (RLE) en senior auteur van het onderzoek.

“Dit opent een heleboel kansen in de toekomst voor ons om over te stappen op het plaatsen van power-electronica op de microbot. Mensen denken vaak dat soft robots niet zo capabel zijn als rigide robots. We demonstreren dat deze robot, die minder weegt dan een gram, de langste tijd vliegt met de kleinste fout tijdens een zweefvlucht. De boodschap is dat soft robots de prestaties van rigide robots kunnen overtreffen,” zegt Chen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Advanced Materials.

De rechthoekige robot weegt minder dan een kwart penny en heeft vier sets vleugels die elk worden aangedreven door een soft actuator. De spier-achtige actuators bestaan uit lagen van elastomeer die tussen twee dunne elektroden zitten. Wanneer spanning wordt toegepast op de actuator, knijpen de elektroden het elastomeer samen, waardoor een mechanische spanning ontstaat die de vleugel doet flappen.

Het team was in staat om een actuator te creëren met 20 lagen, elk met een dikte van 10 micrometer.

Spin Coating Proces

Een van de belangrijkste obstakels die het team tegenkwam, was het spin coating proces, dat bestaat uit het gieten van een elastomeer op een plat oppervlak en het snel roteren. De centrifugale kracht zorgt ervoor dat de film naar buiten wordt getrokken en dunner wordt.

“In dit proces komt lucht terug in het elastomeer en creëert veel microscopisch kleine luchtbellen. De diameter van deze luchtbellen is nauwelijks 1 micrometer, dus we hebben ze eerder genegeerd. Maar wanneer je dunne en dunne lagen krijgt, wordt het effect van de luchtbellen sterker en sterker. Dat is traditioneel de reden waarom mensen deze heel dunne lagen niet konden maken,” legt Chen uit.

Door een vacuümproces direct na het spin coating uit te voeren, worden de luchtbellen verwijderd en kan het elastomeer worden gebakken om te drogen.

Door deze defecten te verwijderen, wordt de vermogensuitvoer van de actuator met meer dan 300 procent verhoogd en wordt de levensduur aanzienlijk verbeterd.

De onderzoekers gebruikten deze technieken om de 20-laagse kunstmatige spier te creëren, die vervolgens werd getest tegen hun eerdere 6-laagse versie en state-of-the-art, rigide actuators.

De 20-laagse actuator, die minder dan 500 volt nodig heeft om te werken, zorgt voor voldoende vermogen om de robot een lift-gewicht-verhouding van 3,7 tot 1 te geven, wat betekent dat hij voorwerpen kan dragen die ongeveer drie keer zijn eigen gewicht zijn.

Het team voerde ook met succes een 20-seconden durende zweefvlucht uit, wat volgens Chen de langste ooit geregistreerde zweefvlucht is door een subgram-robot.

“Twee jaar geleden creëerden we de meest krachtige actuator en kon hij nauwelijks vliegen. We begonnen ons af te vragen, kunnen soft robots ooit concurreren met rigide robots? We observeerden het ene defect na het andere, dus we bleven werken en losten het ene fabricageprobleem na het andere op, en nu is de prestatie van de soft actuator aan het inhalen. Ze zijn zelfs een beetje beter dan de state-of-the-art rigide exemplaren. En er zijn nog een aantal fabricageprocessen in materiaalkunde die we niet begrijpen. Dus ik ben erg enthousiast om de activeringsspanning te blijven verlagen,” zegt hij.

Het team kijkt nu naar methoden die nauwkeuriger zijn dan spin coating om de lagen dunner te maken. Chen hoopt dat de dikte kan worden teruggebracht tot slechts 1 micrometer.

Het team is nu op zoek naar methoden die nauwkeuriger zijn dan spin coating om de lagen dunner te maken. Chen hoopt dat de dikte kan worden teruggebracht tot slechts 1 micrometer. Het team is nu op zoek naar methoden die nauwkeuriger zijn dan spin coating om de lagen dunner te maken. Chen hoopt dat de dikte kan worden teruggebracht tot slechts 1 micrometer. “Er zijn nog een aantal processen in materiaalkunde die we niet begrijpen. Dus ik ben erg enthousiast om de activeringsspanning te blijven verlagen,” zegt hij. “Er zijn nog een aantal processen in materiaalkunde die we niet begrijpen. Dus ik ben erg enthousiast om de activeringsspanning te blijven verlagen,” zegt hij. “on processes in material science that we don’t understand. So, I am very excited to continue to reduce actuation voltage,’ he says. Het team is nu op zoek naar methoden die nauwkeuriger zijn dan spin coating om de lagen dunner te maken. Chen hoopt dat de dikte kan worden teruggebracht tot slechts 1 micrometer.