Nova Técnica Melhora o Desempenho de Microrobôs Voadores

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts desenvolveram uma nova técnica de fabricação que permite a produção de atuadores macios de baixa voltagem, alta densidade de energia e longa duração para microrobôs aéreos. Os músculos artificiais melhoram a carga útil do robô e permitem que ele atinja um desempenho de pairamento de classe mundial.

Músculos Artificiais com Menos Defeitos

Os atuadores macios operam com 75 por cento menos voltagem do que as versões atuais e transportam 80 por cento mais carga. Os músculos artificiais produzidos pela técnica de fabricação também têm menos defeitos, o que estende a vida útil dos componentes.

Kevin Chen é o professor assistente D. Reid Weedon, Jr. ’41 no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação. Ele também é o chefe do Laboratório de Robótica Macia e Micro no Laboratório de Eletrônica de Pesquisa (RLE) e autor sênior da pesquisa.

“Isso abre muitas oportunidades para nós no futuro para fazer a transição para colocar eletrônica de potência no microrobô. As pessoas tendem a pensar que robôs macios não são tão capazes quanto robôs rígidos. Nós demonstramos que este robô, que pesa menos de um grama, voa por mais tempo com o menor erro durante um voo de pairamento. A mensagem principal é que robôs macios podem superar o desempenho de robôs rígidos”, diz Chen.

A pesquisa foi publicada em Materiais Avançados.

O robô retangular pesa menos de um quarto de um centavo e tem quatro conjuntos de asas, cada um impulsionado por um atuador macio. Os atuadores semelhantes a músculos consistem em camadas de elastômero que se situam entre dois eletrodos finos. Quando a voltagem é aplicada ao atuador, os eletrodos espremem o elastômero, resultando em uma deformação mecânica que faz flutuar a asa.

A equipe conseguiu criar um atuador com 20 camadas, cada uma medindo 10 micrômetros de espessura.

Processo de Revestimento por Centrifugação

Um dos principais obstáculos enfrentados pela equipe veio no processo de revestimento por centrifugação, que envolve um elastômero sendo despejado sobre uma superfície plana e rapidamente girado. A força centrífuga resulta no filme sendo puxado para fora para se tornar mais fino.

“Nesse processo, o ar volta ao elastômero e cria muitas bolhas microscópicas de ar. O diâmetro dessas bolhas de ar é de apenas 1 micrômetro, então anteriormente nós simplesmente as ignoramos. Mas quando você obtém camadas mais finas e mais finas, o efeito das bolhas de ar se torna mais forte e mais forte. É tradicionalmente por isso que as pessoas não conseguiram fazer essas camadas muito finas”, explica Chen.

Realizando um processo de evacuação logo após o revestimento por centrifugação, as bolhas de ar são removidas e o elastômero pode ser assado para secar.

Removendo esses defeitos, a saída de energia do atuador é aumentada em mais de 300 por cento e sua vida útil é significativamente melhorada.

Os pesquisadores usaram essas técnicas para criar o músculo artificial de 20 camadas, que foi testado contra a versão anterior de 6 camadas e atuadores rígidos de última geração.

O atuador de 20 camadas, que requer menos de 500 volts para operar, exerceu energia suficiente para dar ao robô uma razão de levantamento de peso de 3,7 para 1, o que significa que ele pode transportar itens cerca de três vezes seu peso.

A equipe também realizou com sucesso um voo de pairamento de 20 segundos, que, de acordo com Chen, é o mais longo já registrado por um robô subgrama.

“Há dois anos, criamos o atuador mais denso de energia e ele mal conseguia voar. Nós começamos a nos perguntar, os robôs macios podem competir com robôs rígidos? Nós observamos um defeito após outro, então continuamos trabalhando e resolvemos um problema de fabricação após outro, e agora o desempenho do atuador macio está alcançando. Eles estão até um pouco melhor do que os atuadores rígidos de última geração. E ainda há muitos processos de fabricação em ciência de materiais que não entendemos. Então, estou muito animado para continuar a reduzir a voltagem de atuação”, diz ele.

A equipe agora está procurando métodos mais precisos do que o revestimento por centrifugação para fazer as camadas mais finas. Chen espera que a espessura possa ser reduzida para apenas 1 micrômetro.