Ny teknikk forbedrer ytelsen til flyvende mikroboter

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology har utviklet en ny fremstillingsmetode som muliggjør produksjon av lavspenning, krafttette, høyholdbare myke aktuatorer for luftbårne mikroroboter. De kunstige musklene forbedrer robotens nyttelast og gjør det mulig å oppnå beste-i-klassen sveveprestasjoner.

Kunstige muskler med færre defekter

De myke aktuatorene opererer med 75 prosent lavere spenning enn nåværende versjoner og kan bære 80 prosent mer nyttelast. De kunstige musklene som produseres ved hjelp av fremstillingsmetoden har også færre defekter, noe som forlenger levetiden til komponentene.

Kevin Chen er D. Reid Weedon, Jr. ’41-assistentprofessor i avdelingen for elektroteknikk og datavitenskap. Han er også leder for Soft and Micro Robotics Laboratory i Research Laboratory of Electronics (RLE) og seniorforfatter av forskningen.

“Dette åpner opp mange muligheter for oss i fremtiden for å gå over til å plassere kraftelektronikk på mikrorobotten. Folk tenderer til å tro at myke roboter ikke er like kapable som stive roboter. Vi demonstrerer at denne roboten, som veier mindre enn ett gram, flyr i lengst tid med minst feil under en sveveflyvning. Hovedbudskapet er at myke roboter kan overgå ytelsen til stive roboter,” sier Chen.

Forskningen ble publisert i Advanced Materials.

Den rektangulære roboten veier mindre enn en fjerdedel av en penny, og den har fire sett med vinger som hver er drevet av en myk aktuator. De muskel-liknende aktuatorene består av lag med elastomer som sitter mellom to tynne elektroder. Når spenning blir tilført aktuatoren, klemmer elektrodene elastomeret, noe som resulterer i en mekanisk strekk som flapper vingen.

Teamet var i stand til å lage en aktuator med 20 lag, hver med en tykkelse på 10 mikrometer.

Spin Coating-prosess

En av de største hindringene teamet møtte, var i spin coating-prosessen, som innebærer at en elastomer blir helt på en flat overflate og raskt rotert. Sentrifugalkraften resulterer i at filmen blir trukket utover for å bli tynnere.

“I denne prosessen kommer luft tilbake inn i elastomeret og skaper mange mikroskopiske luftbobler. Diameteren på disse luftboblene er bare 1 mikrometer, så tidligere ignorerte vi dem bare. Men når du får tynnere og tynnere lag, blir effekten av luftboblene sterkere og sterkere. Det er tradisjonelt hvorfor folk ikke har kunnet lage disse meget tynne lagene,” forklarer Chen.

Ved å utføre en vakuumprosess like etter spin coating, blir luftboblene fjernet og elastomeret kan bakes til tørket.

Ved å fjerne disse defektene, øker kraftutgangen fra aktuatoren med over 300 prosent, og levetiden forbedres betydelig.

Forskerne brukte disse teknikkene til å lage den 20-lagde kunstige muskelen, som deretter ble testet mot deres tidligere 6-lagsversjon og state-of-the-art, stive aktuatorer.

Den 20-lagde aktuatoren, som krever mindre enn 500 volt for å fungere, utøvde nok kraft til å gi roboten en løfte-til-vekt-forhold på 3,7 til 1, noe som betyr at den kunne bære gjenstander som var omtrent tre ganger sin egen vekt.

Teamet utførte også en 20-sekunders sveveflyvning, som ifølge Chen, er den lengste noensinne registrert av en subgram-robot.

“For to år siden lagde vi den mest krafttette aktuatoren, og den kunne bare fly. Vi begynte å undre oss, kan myke roboter noen gang konkurrere med stive roboter? Vi observerte en defekt etter en annen, så vi fortsatte å arbeide og løste ett etter ett fremstillingsproblem, og nå er myk aktuator-prestasjonen i ferd med å holde pace. De er sogar litt bedre enn de state-of-the-art stive. Og det er fortsatt en rekke fremstillingsprosesser i materivitenskap som vi ikke forstår. Så jeg er veldig spennende å fortsette å redusere aktiverings-spenningen,” sier han.

Teamet ser nå mot metoder som er mer presise enn spin coating for å gjøre lagene tynnere. Chen håper at tykkelsen kan reduseres ned til bare 1 mikrometer.