Ny teknik förbättrar prestandan för flygande mikrobotar

Forskare vid Massachusetts Institute of Technology har utvecklat en ny tillverkningsteknik som möjliggör produktion av lågspännings-, krafttäta, höguthålliga mjuka aktuatorer för flygande mikrorobotar. De artificiella musklerna förbättrar robotens last och gör det möjligt för den att uppnå bästa-i-klassen svävprestanda.

Artificiella muskler med färre defekter

De mjuka aktuatorerna fungerar med 75 procent lägre spänning än nuvarande versioner och kan bära 80 procent mer last. De artificiella muskler som tillverkas med tillverkningstekniken har också färre defekter, vilket förlänger komponenternas livslängd.

Kevin Chen är D. Reid Weedon, Jr. ‘41 biträdande professor i avdelningen för elektroteknik och datavetenskap. Han är också chef för Soft and Micro Robotics Laboratory i Research Laboratory of Electronics (RLE) och senior författare till forskningen.

“Detta öppnar upp många möjligheter för oss att gå över till att lägga till kraftelektronik på mikroroboten. Människor tenderar att tro att mjuka robotar inte är lika kapabla som styva robotar. Vi visar att denna robot, som väger mindre än ett gram, flyger under längst tid med minsta felet under en svävflygning. Budskapet är att mjuka robotar kan överträffa prestandan hos styva robotar”, säger Chen.

Forskningen publicerades i Advanced Materials.

Den rektangulära roboten väger mindre än en fjärdedel av en penny, och den har fyra uppsättningar vingar som var och en drivs av en mjuk aktuator. De muskel-lika aktuatorerna består av lager av elastomer som sitter mellan två tunna elektroder. När spänning tillämpas på aktuatorn, klämmer elektroderna ihop elastomeren, vilket resulterar i en mekanisk deformation som fläktar vingen.

Teamet kunde skapa en aktuator med 20 lager, var och en med en tjocklek på 10 mikrometer.

Spin Coating Process

Ett av de största hindren som teamet stötte på var spin-coating-processen, som innebär att en elastomer hälls ut på en plan yta och snabbt roteras. Den centrifugala kraften resulterar i att filmen dras utåt och blir tunnare.

“I denna process kommer luft tillbaka in i elastomeren och skapar många mikroskopiska luftbubblor. Diameter på dessa luftbubblor är knappt 1 mikrometer, så tidigare ignorerade vi dem. Men när du får tunnare och tunnare lager, blir effekten av luftbubblorna starkare och starkare. Det är traditionellt varför människor inte har kunnat göra dessa mycket tunna lager”, förklarar Chen.

Genom att utföra en vakuumprocess direkt efter spin-coating, tas luftbubblorna bort och elastomeren kan gräddas torr.

Genom att ta bort dessa defekter, ökar effekttillförseln till aktuatorn med mer än 300 procent, och dess livslängd förbättras avsevärt.

Forskarna använde dessa tekniker för att skapa den 20-lagda artificiella muskeln, som sedan testades mot deras tidigare 6-lagda version och state-of-the-art, styva aktuatorer.

Den 20-lagda aktuatorn, som kräver mindre än 500 volt för att fungera, utövade tillräcklig kraft för att ge roboten en lyft-till-vikt-förhållande på 3,7 till 1, vilket innebär att den kunde bära föremål som var cirka tre gånger sin egen vikt.

Teamet genomförde också en 20-sekunders svävflygning, vilket enligt Chen är den längsta som någonsin har registrerats av en subgramrobot.

“För två år sedan skapade vi den mest krafttäta aktuatorn och den kunde knappt flyga. Vi började undra, kan mjuka robotar någonsin konkurrera med styva robotar? Vi observerade en defekt efter en annan, så vi fortsatte att arbeta och löste ett tillverkningsproblem efter ett annat, och nu är den mjuka aktuatorns prestanda på väg att komma ikapp. De är till och med en aning bättre än de state-of-the-art styva aktuatorerna. Och det finns fortfarande ett antal tillverkningsprocesser i materialvetenskap som vi inte förstår. Så jag är mycket entusiastisk över att fortsätta att minska aktiveringsspänningen”, säger han.

Teamet letar nu efter metoder som är mer exakta än spin-coating för att göra lagren tunnare. Chen hoppas att tjockleken kan minskas ner till bara 1 mikrometer.