Naukowcy opracowują wytrzymałego RoboBee z miękkimi mięśniami

Naukowcy z Harvard Microrobotics Laboratory w Harvard School of Engineering and Applied Science im. Johna A. Paulsona (SEAS) wraz z Instytutem Inżynierii Inspirowanej Biologicznie Wyss opracowały RoboBee napędzane miękkimi sztucznymi mięśniami. Mikrorobot może uderzać w ściany, spadać na ziemię i zderzać się z innymi RoboBee bez ponoszenia obrażeń. W ważnym momencie dla robotyki RoboBee jest pierwszym mikrorobotem napędzanym miękkimi siłownikami, który jest w stanie osiągnąć kontrolowany lot. 

Yufeng Chen jest pierwszym autorem artykułu oraz byłym studentem i stażystą podoktorskim w SEAS.

„W dziedzinie mikrorobotyki nastąpił duży nacisk na tworzenie robotów mobilnych z miękkich siłowników ze względu na ich dużą odporność” – powiedział Chen. „Jednak wiele osób w tej dziedzinie było sceptycznych, co do możliwości wykorzystania ich w robotach latających, ponieważ gęstość mocy tych siłowników po prostu nie była wystarczająco wysoka i notorycznie trudno je kontrolować. Nasz siłownik ma wystarczająco dużą gęstość mocy i sterowność, aby osiągnąć lot w zawisie.”

Badanie zostało opublikowane w Natura.

Napotkane problemy

Jednym z problemów, którym zajęli się badacze, była gęstość mocy. Przyjrzeli się napędzanym elektrycznie siłownikom miękkim opracowanym w laboratorium Davida Clarke’a, profesora materiałów z rodziny Tarrów. Siłowniki miękkie powstają przy użyciu elastomerów dielektrycznych, które są miękkimi materiałami o silnych właściwościach izolacyjnych. Po przyłożeniu pola elektrycznego elastomery dielektryczne odkształcają się. 

Po poprawie przewodności elektrody siłownik mógł pracować przy częstotliwości 500 Hz. Przypomina to stosowane wcześniej sztywne siłowniki w robotach. 

Jednym z innych problemów związanych z siłownikami miękkimi jest to, że system często staje się niestabilny. Aby temu zaradzić, naukowcy opracowali lekki płatowiec. Składał się z kawałka pionowego gwintu ograniczającego, aby zapobiec wyboczeniu siłownika. 

Możliwość lotu

W przypadku robotów o małej skali miękkie siłowniki można łatwo wymieniać i montować. Naukowcy opracowali wiele różnych modeli RoboBee o miękkim napędzie, aby zaprezentować różne możliwości lotu. 

Jeden z modeli posiada dwa skrzydła i może startować z ziemi. Jednak ten model nie ma dalszej kontroli. Model czteroskrzydłowy z dwoma siłownikami może latać w zatłoczonym otoczeniu. Podczas jednego lotu RoboBee jest w stanie uniknąć wielu kolizji.

Elizabeth Farrell Helbling jest byłą absolwentką SEAS i jest współautorką artykułu. 

„Jedną z zalet robotów o małej skali i niewielkiej masie jest ich odporność na uderzenia zewnętrzne” – stwierdziła. „Miękki siłownik zapewnia dodatkową korzyść, ponieważ może absorbować uderzenia lepiej niż tradycyjne strategie uruchamiania. Przydałoby się to w potencjalnych zastosowaniach, takich jak latanie przez gruz w misjach poszukiwawczo-ratowniczych”.

Innym modelem jest ośmioskrzydłowy RoboBee z czterema siłownikami. Jest w stanie wykonywać kontrolowany lot w zawisie, co zostało po raz pierwszy zademonstrowane przez latającego mikrorobota o miękkim napędzie. 

Co dalej?

Naukowcy pracują obecnie nad zwiększeniem wydajności RoboBee o miękkim napędzie. Przed nami jeszcze długa droga, zanim dogonimy tradycyjne latające roboty. 

Robert Wood jest profesorem inżynierii i nauk stosowanych w Charles River w SEAS. Jest także głównym członkiem wydziału Instytutu Inżynierii Inspirowanej Biologicznie Wyss i głównym autorem artykułu. 

„Miękkie siłowniki o właściwościach przypominających mięśnie i aktywacji elektrycznej stanowią wielkie wyzwanie w robotyce” – mówi profesor Wood. „Gdybyśmy mogli zaprojektować wysokowydajne sztuczne mięśnie, nieograniczona byłaby liczba robotów, które moglibyśmy zbudować”.