Onderzoekers ontwikkelen robuuste RoboBee met zachte spieren

Onderzoekers aan de Harvard Microrobotics Laboratory aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS), samen met het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, hebben een RoboBee ontwikkeld die wordt aangedreven door zachte kunstmatige spieren. De microrobot kan tegen muren botsen, op de grond vallen en met andere RoboBees botsen zonder beschadigd te raken. Dit is een grote stap voorwaarts in de robotica, aangezien de RoboBee de eerste microrobot is die wordt aangedreven door zachte actuatoren en in staat is tot gecontroleerde vlucht.

Yufeng Chen is de eerste auteur van het artikel en een voormalig promovendus en postdoctoraal onderzoeker aan SEAS.

“Er is een grote drang in het veld van microrobotica om mobiele robots te maken van zachte actuatoren, omdat ze zo robuust zijn”, zei Chen. “Echter, veel mensen in het veld zijn sceptisch over het feit dat ze kunnen worden gebruikt voor vliegende robots, omdat de vermichtingsdichtheid van die actuatoren simpelweg niet hoog genoeg is en ze berucht moeilijk te controleren zijn. Onze actuator heeft een hoge genoeg vermichtingsdichtheid en controleerbaarheid om hovervlucht te bereiken.”

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.

Problemen die zijn aangetroffen

Een van de problemen waarmee de onderzoekers te maken kregen, was de vermichtingsdichtheid. Ze keken naar de elektrisch aangedreven zachte actuatoren die waren ontwikkeld in het lab van David Clarke, de Extended Tarr Family Professor of Materials. De zachte actuatoren worden gemaakt door gebruik te maken van diëlektrische elastomeren, die zachte materialen zijn met sterke isolerende eigenschappen. Wanneer een elektrisch veld wordt toegepast, vervormen de diëlektrische elastomeren.

Na het verbeteren van de elektrodeconductiviteit, kon de actuator worden bediend bij 500 Hertz. Dit is vergelijkbaar met eerder gebruikte rigide actuatoren in robots.

Een van de andere problemen met zachte actuatoren is dat het systeem vaak onstabiel wordt. Om hieraan te ontkomen, ontwikkelden de onderzoekers een lichtgewicht luchtframe. Het bestond uit een stuk verticale beperkende draad om te voorkomen dat de actuator kromtrok.

Vluchtcapaciteit

Binnen de kleine schaalrobots kunnen de zachte actuatoren gemakkelijk worden uitgewisseld en geassembleerd. De onderzoekers ontwikkelden meerdere modellen van de zachte RoboBee om de verschillende vluchtcapaciteiten te demonstreren.

Een van de modellen heeft twee vleugels en kan opstijgen van de grond. Echter, dit model heeft geen verdere controle. Een vier-vleugelig, twee-actuator model is in staat om te vliegen in een drukke omgeving. Binnen een enkele vlucht kan de RoboBee meerdere botsingen vermijden.

Elizabeth Farrell Helbling is een voormalig promovendus aan SEAS en co-auteur van het artikel.

“Een van de voordelen van kleine schaalrobots is hun robuustheid tegen externe invloeden”, zei ze. “De zachte actuator biedt een extra voordeel, omdat het beter bestand is tegen invloeden dan traditionele aandrijfstrategieën. Dit zou handig zijn in potentieel toepassingen zoals vliegen door puin voor zoek- en reddingsmissies.”

Een ander model is de acht-vleugelige, vier-actuator RoboBee. Het is in staat om gecontroleerde hovervlucht uit te voeren, wat voor het eerst is aangetoond door een zachte RoboBee.

Wat is de volgende stap?

De onderzoekers zijn nu bezig om de efficiëntie van de zachte RoboBee te verhogen. Het heeft nog een lange weg te gaan voordat het traditionele vliegende robots kan bijhouden.

Robert Wood is een Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences aan SEAS. Hij is ook een core faculty member van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en senior auteur van het artikel.

“Zachte actuatoren met spier-achtige eigenschappen en elektrische activatie vertegenwoordigen een grote uitdaging in de robotica”, zegt Professor Wood. “Als we high-performance kunstmatige spieren zouden kunnen ontwikkelen, zijn de mogelijkheden voor robots eindeloos.”