นักวิจัยพัฒนา RoboBee ที่มีกล้ามเนื้อนุ่มที่ทนทาน

นักวิจัยที่ ห้องปฏิบัติการหุ่นยนต์ขนาดเล็กของฮาร์วาร์ด ที่โรงเรียนวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ฮาร์วาร์ด จอห์น เอ. พอลสัน (SEAS) ร่วมกับ สถาบัน Wyss สำหรับวิศวกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ ได้พัฒนา RoboBee ที่ใช้กล้ามเนื้อนุ่มเทียม หุ่นยนต์ขนาดเล็กนี้สามารถชนเข้ากับกำแพง ล้มลงบนพื้น และชนกับ RoboBee อื่น ๆ โดยไม่เสียหาย ในสิ่งที่เป็นช่วงเวลาสำคัญสำหรับหุ่นยนต์ RoboBee เป็นหุ่นยนต์ขนาดเล็กแรกที่ใช้กล้ามเนื้อนุ่มและสามารถบินได้อย่างควบคุม

Yufeng Chen เป็นนักวิจัยหลักของงานวิจัยและเป็นอดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและนักวิจัยหลังปริญญาดุษฎีบัณฑิตที่ SEAS

มีการผลักดันอย่างมากในด้านหุ่นยนต์ขนาดเล็กเพื่อสร้างหุ่นยนต์เคลื่อนที่จากกล้ามเนื้อนุ่ม เนื่องจากมีความทนทานสูง” Chen กล่าว “อย่างไรก็ตาม ผู้คนจำนวนมากในด้านนี้มีความกังวลว่าไม่สามารถใช้สำหรับหุ่นยนต์บินได้ เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานของกล้ามเนื้อนั้นต่ำเกินไป และยากต่อการควบคุม กล้ามเนื้อของเรามีความหนาแน่นของพลังงานและความสามารถในการควบคุมที่เพียงพอในการบินลอยตัว”

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Nature

ปัญหาที่พบ

หนึ่งในปัญหาที่นักวิจัยพบคือความหนาแน่นของพลังงาน พวกเขาได้พิจารณาใช้กล้ามเนื้อนุ่มที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าซึ่งพัฒนาในห้องปฏิบัติการของ David Clarke ศาสตราจารย์แห่งครอบครัว Tarr ที่ขยายตัว กล้ามเนื้อนุ่มสร้างขึ้นโดยใช้วัสดุอิเล็กโตรอิเลสทิกที่มีคุณสมบัติฉนวนกันไฟฟ้าแรงสูง เมื่อใช้สนามไฟฟ้า วัสดุอิเล็กโตรอิเลสทิกจะเปลี่ยนรูป

หลังจากปรับปรุงการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรด กล้ามเนื้อสามารถทำงานที่ 500 เฮิรตซ์ ซึ่งคล้ายกับกล้ามเนื้อแข็งในหุ่นยนต์ที่ใช้ก่อนหน้านี้

ปัญหาอีกประการหนึ่งของกล้ามเนื้อนุ่มคือระบบมักจะไม่มั่นคง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยได้พัฒนาโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา ประกอบด้วยเส้นด้ายที่มีข้อจำกัดแนวตั้งเพื่อป้องกันไม่ให้กล้ามเนื้อเบี่ยงเบน

ความสามารถในการบิน

ในหุ่นยนต์ขนาดเล็ก กล้ามเนื้อนุ่มสามารถถูกเปลี่ยนและประกอบได้ง่าย นักวิจัยได้พัฒนารุ่นต่างๆ ของ RoboBee ที่ใช้กล้ามเนื้อนุ่มเพื่อแสดงความสามารถในการบิน

หนึ่งในรุ่นมี đôiปีกและสามารถบินขึ้นจากพื้นได้ แต่รุ่นนี้ไม่มีการควบคุมเพิ่มเติม รุ่นที่มี 4 ปีกและ 2 กล้ามเนื้อสามารถบินในพื้นที่ที่มีการจราจรหนาแน่น ในการบินครั้งเดียว RoboBee สามารถหลบหลีกการชนกับวัตถุหลายครั้ง

Elizabeth Farrell Helbling เป็นอดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่ SEAS และเป็นผู้ร่วมเขียนงานวิจัย

ข้อดีของหุ่นยนต์ขนาดเล็กและน้ำหนักเบาคือความทนทานต่อการกระแทกจากภายนอก” เธอกล่าว “กล้ามเนื้อนุ่มให้ประโยชน์เสริมเพราะสามารถดูดซับผลกระทบได้ดีกว่ากลยุทธ์การเคลื่อนไหวแบบดั้งเดิม ซึ่งจะมีประโยชน์ในแอปพลิเคชันที่อาจเกิดขึ้น เช่น การบินผ่านซากปรักหักพังสำหรับการค้นหาและช่วยเหลือ”

รุ่นอื่นคือ RoboBee ที่มี 8 ปีกและ 4 กล้ามเนื้อ สามารถบินลอยตัวได้อย่างมีการควบคุม ซึ่งเป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นโดยหุ่นยนต์บินที่ใช้กล้ามเนื้อนุ่ม

สิ่งที่จะเกิดขึ้นต่อไป

นักวิจัยกำลังมองหาวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพของ RoboBee ที่ใช้กล้ามเนื้อนุ่ม ยังคงมีระยะทางไกลในการตามทันหุ่นยนต์บินที่ใช้กล้ามเนื้อแบบดั้งเดิม

Robert Wood เป็นศาสตราจารย์ Charles River ของวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ที่ SEAS และเป็นสมาชิกหลักของสถาบัน Wyss สำหรับวิศวกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ และเป็นผู้เขียนหลักของงานวิจัย

กล้ามเนื้อนุ่มที่มีคุณสมบัติเหมือนกล้ามเนื้อและกระตุ้นด้วยไฟฟ้าเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในด้านหุ่นยนต์” Professor Wood กล่าว “หากเราสามารถสร้างกล้ามเนื้อเทียมที่มีประสิทธิภาพสูงได้ ท้องฟ้าจะเป็นขีดจำกัดสำหรับสิ่งที่เราสามารถสร้างหุ่นยนต์ได้”