Forskare Utvecklar Resilient RoboBee med Mjuka Muskler

Forskare vid Harvard Microrobotics Laboratory vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS), tillsammans med Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, har utvecklat en RoboBee som drivs av mjuka artificiella muskler. Mikroroboten kan krascha in i väggar, falla på marken och kollidera med andra RoboBees utan att skadas. Detta är ett stort ögonblick för robotteknik, och RoboBee är den första mikrorobot som drivs av mjuka aktuatorer som kan uppnå kontrollerad flygning.

Yufeng Chen är första författare till artikeln och en tidigare doktorand och postdoktor vid SEAS.

“Det har funnits ett stort tryck inom området mikrorobotik att skapa mobila robotar av mjuka aktuatorer eftersom de är så resilienta”, säger Chen. “Men många inom området har varit skeptiska till att de kan användas för flygande robotar eftersom effekttätheten hos dessa aktuatorer helt enkelt inte har varit tillräckligt hög och de är ökända för att vara svåra att kontrollera. Vår aktuator har tillräckligt hög effekttäthet och kontroll för att uppnå svävande flygning.”

Forskningen publicerades i Nature.

Problem som Uppstod

Ett av problemen som forskarna stötte på var effekttäthet. De tittade på de elektriskt drivna mjuka aktuatorerna som utvecklats i David Clarkes laboratorium, Extended Tarr Family Professor of Materials. De mjuka aktuatorerna skapas genom att använda dielektriska elastomerer, som är mjuka material med starka isolerande egenskaper. När ett elektriskt fält appliceras, deformeras dielektriska elastomererna.

Efter att ha förbättrat elektrodens ledningsförmåga kunde aktuatorn opereras vid 500 Hertz. Detta är liknande de tidigare använda styva aktuatorerna i robotar.

Ett av de andra problemen med mjuka aktuatorer är att systemet ofta blir instabilt. För att komma förbi detta utvecklade forskarna en lätt luftram. Den bestod av en bit vertikal begränsande tråd för att förhindra att aktuatorn buktade.

Flygförmåga

Inom de små skala robotarna kan de mjuka aktuatorerna bytas ut och monteras lätt. Forskarna utvecklade flera olika modeller av den mjukdrivna RoboBee för att visa de olika flygförmågorna.

En av modellerna har två vingar och kan lyfta från marken. Men denna modell har ingen ytterligare kontroll. En fyrvingad, tvåaktuator modell kan flyga i en trång miljö. Inom en enda flygning kan RoboBee undvika flera kollisioner.

Elizabeth Farrell Helbling är en tidigare doktorand vid SEAS och hon medförfattade artikeln.

“En fördel med småskaliga, lågmassrobotar är deras resilience mot yttre påverkan”, säger hon. “Den mjuka aktuatorn ger en ytterligare fördel eftersom den kan absorbera påverkan bättre än traditionella aktiveringsstrategier. Detta skulle komma till nytta i potentiella tillämpningar som att flyga genom raser för sök- och räddningsuppdrag.”

En annan modell är den åtta vingade, fyraktuator RoboBee. Den kan utföra kontrollerad svävande flygning, vilket är första gången det har demonstrerats av en mjukdriven flygande mikrorobot.

Vad Händer Nästa?

Forskarna ser nu på att öka effektiviteten hos den mjukdrivna RoboBee. Den har fortfarande en lång väg att gå innan den kan komma ikapp traditionella flygande robotar.

Robert Wood är en Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences vid SEAS. Han är också en kärnfakultetsmedlem vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och senior författare till artikeln.

“Mjuka aktuatorer med muskel-liknande egenskaper och elektrisk aktivering representerar en stor utmaning inom robotik”, säger Professor Wood. “Om vi kunde utveckla högpresterande artificiella muskler, är himlen gränsen för vad robotar vi kunde bygga.”