Noua tehnică îmbunătățește performanța micro-roboților zburători

Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au dezvoltat o nouă tehnică de fabricație care permite producerea de actuatoare moi, cu voltaj scăzut, putere densă și durată de viață lungă pentru micro-robți aeri. Mușchii artificiali îmbunătățesc încărcătura robotului și îi permit să atingă o performanță de zbor staționar de clasă mondială.

Mușchi artificiali cu mai puține defecte

Actuatoarele moi funcționează cu un voltaj cu 75% mai mic decât versiunile actuale și transportă o încărcătură cu 80% mai mare. Mușchii artificiali produși prin această tehnică de fabricație au și mai puține defecte, ceea ce prelungește durata de viață a componentelor.

Kevin Chen este asistentul profesor D. Reid Weedon, Jr. ’41 în Departamentul de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor. El este și șeful Laboratorului de Robotică Moale și Micro din Laboratorul de Cercetare Electronică (RLE) și autorul principal al cercetării.

“Acest lucru deschide o mulțime de oportunități pentru noi să trecem la punerea de electronice de putere pe micro-robot. Oamenii tind să creadă că roboții moi nu sunt la fel de capabili ca roboții rigizi. Noi demonstrăm că acest robot, care cântărește mai puțin de un gram, zboară pentru cea mai lungă perioadă de timp cu cea mai mică eroare în timpul unui zbor staționar. Mesajul principal este că roboții moi pot depăși performanța roboților rigizi”, spune Chen.

Cercetarea a fost publicată în Advanced Materials.

Robotul rectangular cântărește mai puțin de o pătrime de penny și are patru seturi de aripi, fiecare condus de un actuator moale. Actuatoarele musculare constau din straturi de elastomer care stau între două electrozi subțiri. Când se aplică voltaj la actuator, electrozii strâng elastomerul, rezultând o tensiune mecanică care bate aripa.

Echipa a reușit să creeze un actuator cu 20 de straturi, fiecare măsurând 10 micrometri în grosime.

Procesul de acoperire cu spin

Una dintre principalele obstacole cu care s-a confruntat echipa a fost procesul de acoperire cu spin, care implică turnarea unui elastomer pe o suprafață plană și rotirea rapidă. Forța centrifugă face ca filmul să fie tras spre exterior pentru a deveni mai subțire.

“În acest proces, aerul revine în elastomer și creează multe bule microscopice de aer. Diametrul acestor bule de aer este abia 1 micrometru, așa că anterior am ignorat-o. Dar când obții straturi mai subțiri și mai subțiri, efectul bulelor de aer devine mai puternic și mai puternic. Acesta este motivul pentru care oamenii nu au putut face straturi atât de subțiri”, explică Chen.

Prin efectuarea unui proces de vidare imediat după acoperirea cu spin, bulele de aer sunt îndepărtate și elastomerul poate fi copt pentru a se usca.

Prin îndepărtarea acestor defecte, puterea de ieșire a actuatorului crește cu peste 300% și durata sa de viață este semnificativ îmbunătățită.

Cercetătorii au utilizat aceste tehnici pentru a crea mușchiul artificial cu 20 de straturi, care a fost testat împotriva versiunii lor anterioare cu 6 straturi și a actuatorilor rigizi de ultimă generație.

Actuatorul cu 20 de straturi, care necesită mai puțin de 500 de volți pentru a funcționa, a exercitat suficientă putere pentru a da robotului un raport de ridicare-la-greutate de 3,7 la 1, ceea ce înseamnă că a putut transporta articole de aproximativ trei ori greutatea sa.

Echipa a efectuat, de asemenea, cu succes, un zbor staționar de 20 de secunde, care, potrivit lui Chen, este cel mai lung înregistrat vreodată de un robot subgram.

“Acum doi ani, am creat actuatorul cel mai puternic și abia putea zbura. Am început să ne întrebăm, pot roboții moi vreodată să concureze cu roboții rigizi? Am observat un defect după altul, așa că am continuat să lucrăm și am rezolvat o problemă de fabricație după alta, și acum performanța actuatorului moale este pe punctul de a depăși. Ei sunt chiar puțin mai buni decât cei rigizi de ultimă generație. Și există încă o serie de procese de fabricație în știința materialelor pe care nu le înțelegem. Așa că, sunt foarte entuziasmat să continue să reduc voltajul de acționare”, spune el.

Echipa se îndreaptă acum spre metode care sunt mai precise decât acoperirea cu spin pentru a face straturile mai subțiri. Chen speră că grosimea poate fi redusă până la doar 1 micrometru.