Nowa technika poprawia wydajność latających mikrobotów

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali nową technikę produkcji, która umożliwia wytwarzanie niskonapięciowych, wysokogęstnych i wytrzymałych miękkich aktuatorów dla mikrorobotów latających. Sztuczne mięśnie poprawiają ładunek robota i pozwalają mu osiągnąć najlepsze w swojej klasie wyniki w zawisie.

Sztuczne mięśnie z mniejszą ilością wad

Miękkie aktuary pracują przy napięciu niższym o 75 procent w porównaniu z obecnie stosowanymi wersjami i mogą przenosić o 80 procent więcej ładunku. Sztuczne mięśnie wytwarzane przy użyciu tej techniki produkcji mają również mniej wad, co wydłuża żywotność elementów.

Kevin Chen jest adiunktem w Departamencie Inżynierii Elektrycznej i Nauk Komputerowych. Jest również kierownikiem Laboratorium Robotyki Miękkiej i Mikro w Laboratorium Badań Elektronicznych (RLE) i seniorem autorem badań.

“To otwiera przed nami wiele możliwości na przyszłość, abyśmy mogli przenieść elektronikę zasilającą na mikrorobota. Ludzie mają tendencję do myślenia, że roboty miękkie nie są tak wydajne jak sztywne roboty. Udowadniamy, że ten robot, ważący mniej niż gram, lata przez najdłuższy czas z najmniejszym błędem podczas lotu w zawisie. Podsumowując, roboty miękkie mogą przewyższać wydajność sztywnych robotów”, mówi Chen.

Badania zostały opublikowane w Advanced Materials.

Prostokątny robot waży mniej niż jedną czwartą pensa i ma cztery zestawy skrzydeł, z których każde jest napędzane przez miękkiego aktuatora. Aktuary te składają się z warstw elastomeru, które znajdują się pomiędzy dwoma cienkimi elektrodami. Gdy napięcie jest przykładane do aktuatora, elektrody ściskają elastomer, co powoduje mechaniczne odkształcenie, które powoduje uderzenie skrzydła.

Zespół był w stanie stworzyć aktuator z 20 warstwami, z których każda mierzyła 10 mikrometrów grubości.

Proces nakładania warstw

Jedną z głównych przeszkód, z którymi spotkał się zespół, była metoda nakładania warstw, która polega na nalaniu elastomeru na płaską powierzchnię i szybkiej rotacji. Siła odśrodkowa powoduje, że film jest ciągnięty na zewnątrz, aby stać się cieńszy.

“W tym procesie, powietrze wraca do elastomeru i tworzy wiele mikroskopijnych pęcherzyków powietrza. Średnica tych pęcherzyków jest ledwie 1 mikrometr, więc wcześniej je ignorowaliśmy. Ale gdy warstwy stają się coraz cieńsze, wpływ pęcherzyków powietrza staje się coraz silniejszy. To tradycyjnie powodowało, że ludzie nie byli w stanie wytworzyć tak cienkich warstw”, wyjaśnia Chen.

Przeprowadzając proces próżniowy bezpośrednio po nakładaniu warstw, pęcherzyki powietrza są usuwane, a elastomer może być pieczony, aby wyschnąć.

Usuwanie tych wad powoduje, że wydajność aktuatora wzrasta o ponad 300 procent, a jego żywotność jest znacznie poprawiona.

Naukowcy wykorzystali te techniki, aby stworzyć 20-warstwowy sztuczny mięsień, który został przetestowany w porównaniu z ich poprzednim 6-warstwowym modelem i sztywnymi aktuatorami.

20-warstwowy aktuator, wymagający mniej niż 500 woltów do działania, wywierał wystarczającą siłę, aby dać robotowi stosunek ciągu do wagi wynoszący 3,7 do 1, co oznacza, że mógł przenosić przedmioty o masie około trzykrotnie większej niż jego własna.

Zespół również pomyślnie przeprowadził lot w zawisie trwający 20 sekund, co według Chen jest najdłuższym zanotowanym lotem przez robota o masie mniejszej niż gram.

“Dwa lata temu stworzyliśmy najbardziej wydajny aktuator i ledwie mógł latać. Zaczęliśmy się zastanawiać, czy roboty miękkie kiedykolwiek będą mogły konkurować z sztywnymi robotami? Zaobserwowaliśmy jedną wadę po drugiej, więc kontynuowaliśmy pracę i rozwiązaliśmy jeden problem produkcyjny po drugim, a teraz wydajność aktuatora miękkiego dogania sztywne. Są nawet trochę lepsze niż najlepsze sztywne. I nadal istnieje wiele procesów produkcyjnych w naukach o materiale, których nie rozumiemy. Więc jestem bardzo podekscytowany, aby kontynuować redukcję napięcia aktywacji”, mówi.

Zespół obecnie szuka metod, które są bardziej precyzyjne niż nakładanie warstw, aby zrobić warstwy cieńsze. Chen ma nadzieję, że grubość może być zmniejszona do zaledwie 1 mikrometra.