Новая Техника Улучшает Производительность Летающих Микроботов

Исследователи в Массачусетском технологическом институте разработали новую технику изготовления, которая позволяет производить низковольтные, мощные, высокопроизводительные мягкие актуаторы для воздушных микророботов. Искусственные мышцы улучшают полезную нагрузку робота и позволяют ему достичь лучшей в своем классе характеристики зависания.

Искусственные Мышцы С Меньшим Количество Дефектов

Мягкие актуаторы работают с напряжением на 75 процентов ниже, чем текущие версии, и могут нести на 80 процентов больше полезной нагрузки. Искусственные мышцы, произведенные с помощью этой техники изготовления, также имеют меньше дефектов, что увеличивает срок службы компонентов.

Кевин Чен – помощник профессора в департаменте электротехники и компьютерных наук. Он также является руководителем лаборатории мягкой и микро-роботики в исследовательской лаборатории электроники (RLE) и старший автор исследования.

“Это открывает нам много возможностей в будущем для перехода к использованию силовой электроники на микророботе. Люди склонны думать, что мягкие роботы не так способны, как жесткие роботы. Мы демонстрируем, что этот робот, вес которого менее грамма, летает в течение самого длинного времени с наименьшей ошибкой во время зависания. Основное сообщение заключается в том, что мягкие роботы могут превосходить производительность жестких роботов”, – говорит Чен.

Исследование было опубликовано в Advanced Materials.

Прямоугольный робот весит менее четверти пенни, и у него четыре набора крыльев, каждое из которых приводится в действие мягким актуатором. Мышечные актуаторы состоят из слоев эластомера, расположенных между двумя тонкими электродами. Когда к актуатору прикладывается напряжение, электроды сжимают эластомер, в результате чего возникает механическое напряжение, которое приводит в движение крыло.

Команда смогла создать актуатор с 20 слоями, каждый из которых имеет толщину 10 микрометров.

Процесс Спин-Коатинга

Одной из основных проблем, с которыми столкнулась команда, стал процесс спин-коатинга, который включает в себя нанесение эластомера на плоскую поверхность и быстрое вращение. Центробежная сила приводит к тому, что пленка вытягивается наружу и становится тоньше.

“В этом процессе воздух проникает обратно в эластомер и создает много микроскопических воздушных пузырьков. Диаметр этих воздушных пузырьков составляет всего 1 микрометр, поэтому ранее мы просто игнорировали их. Но когда вы получаете все тоньше и тоньше слои, эффект воздушных пузырьков становится сильнее и сильнее. Это традиционно является причиной, по которой люди не смогли сделать эти очень тонкие слои”, – объясняет Чен.

Выполняя процесс вакуумирования сразу после спин-коатинга, воздушные пузырьки удаляются, и эластомер можно запечь для сушки.

Удаляя эти дефекты, выходная мощность актуатора увеличивается более чем на 300 процентов, а срок его службы значительно улучшается.

Исследователи использовали эти техники для создания 20-слойной искусственной мышцы, которая затем была протестирована против их предыдущей 6-слойной версии и современных жестких актуаторов.

20-слойный актуатор, требующий менее 500 вольт для работы, оказал достаточную мощность, чтобы дать роботу соотношение подъема к весу 3,7 к 1, что означает, что он может нести предметы, вес которых в три раза превышает его собственный вес.

Команда также успешно провела 20-секундный полет, который, по словам Чена, является самым длинным, когда-либо зарегистрированным для субграммового робота.

“Два года назад мы создали самый мощный актуатор, и он едва мог летать. Мы начали задумываться, могут ли мягкие роботы когда-нибудь конкурировать с жесткими роботами? Мы наблюдали один дефект за другим, поэтому мы продолжали работать и решали одну проблему изготовления за другой, и теперь производительность мягкого актуатора догоняет производительность жесткого. Они даже немного лучше, чем современные жесткие актуаторы. И все еще существует много процессов изготовления в материальной науке, которые мы не понимаем. Поэтому я очень рад продолжать снижать напряжение актуации”, – говорит он.

Команда сейчас ищет методы, которые более точны, чем спин-коатинг, чтобы сделать слои тоньше. Чен надеется, что толщина может быть уменьшена до всего 1 микрометра.