Нова техніка покращує роботу літаючих мікроботів

Дослідники з Масачусетського технологічного інституту розробили нову техніку виготовлення, яка дозволяє виробляти низьковольтні, потужні, високотривкі м’які актуатори для повітряних мікророботів. Штучні м’язи покращують вантажопідйомність робота та дозволяють йому досягати найкращої у своїй класі зависаючої характеристики.

Штучні м’язи з меншою кількістю дефектів

М’які актуатори працюють при напрузі на 75 відсотків нижчій, ніж у поточних версіях, і можуть нести на 80 відсотків більше вантажу. Штучні м’язи, виготовлені за допомогою цієї технології виготовлення, також мають менше дефектів, що збільшує термін служби компонентів.

Кевін Чен – помічник професора в кафедрі електротехніки та комп’ютерних наук. Він також очолює лабораторію м’якої та мікроробототехніки в дослідницькій лабораторії електроніки (RLE) і є старшим автором дослідження.

“Це відкриває багато можливостей для нас у майбутньому для переходу до встановлення потужної електроніки на мікроробота. Люди думають, що м’які роботи не такі потужні, як жорсткі роботи. Ми демонструємо, що цей робот, який важить менше грама, літає найдовше з найменшою похибкою під час зависання. Основний висновок полягає в тому, що м’які роботи можуть перевершити характеристики жорстких роботів”, – говорить Чен.

Дослідження було опубліковано в Advanced Materials.

Прямокутний робот важить менше чверті копійки, і у нього чотири набори крил, кожен з яких приводиться в рух м’яким актуатором. М’язоподібні актуатори складаються з шарів еластомеру, які розташовані між двома тонкими електродами. Коли до актуатора прикладається напруга, електроди стискають еластомер, в результаті чого відбувається механічна деформація, яка приводить крило в рух.

Команда змогла створити актуатор з 20 шарами, кожний з яких мав товщину 10 мікрометрів.

Процес нанесення шару

Одна з основних перешкод, з якими зіткнулася команда, полягала в процесі нанесення шару, який включає в себе нанесення еластомеру на плоску поверхню та швидке обертання. Відцентрова сила призводить до того, що плівка витягується назовні та стає тоншою.

“Під час цього процесу повітря повертається в еластомер і створює багато мікроскопічних повітряних бульбашок. Діаметр цих бульбашок становить близько 1 мікрометра, тому раніше ми просто проігнорували їх. Але коли ви отримуєте все тонші шари, вплив повітряних бульбашок стає сильнішим і сильнішим. Традиційно це була причина, чому люди не могли виготовити такі тонкі шари”, – пояснює Чен.

Від виконання процесу вакуумування одразу після нанесення шару повітряні бульбашки видаляються, а еластомер можна випікати для висушування.

Віддалення цих дефектів збільшує вихідну потужність актуатора більш ніж на 300 відсотків, а його термін служби значно покращується.

Дослідники використали ці техніки для створення 20-шарового штучного м’яза, який потім був протестований проти їхньої попередньої 6-шарової версії та сучасних жорстких актуаторів.

20-шаровий актуатор, який потребував менше 500 вольт для роботи, витратив достатньо потужності, щоб дати роботові співвідношення підйомної сили до ваги 3,7 до 1, що означає, що він міг нести предмети приблизно в три рази важчі за свою вагу.

Команда також успішно провела 20-секундний політ зависання, який, згідно з Ченом, є найдовшим зафіксованим для субграмового робота.

“Два роки тому ми створили найпотужніший актуатор, і він міг ледь-ледь літати. Ми почали сумніватися, чи можуть м’які роботи коли-небудь конкурувати з жорсткими роботами? Ми спостерігали одну за однією дефект, тому ми продовжували працювати і розв’язували одну за однією проблему виготовлення, і тепер характеристики м’якого актуатора починають доганяти. Вони навіть трохи кращі, ніж сучасні жорсткі актуатори. І все ще є багато процесів виготовлення в матеріалознавстві, які ми не розуміємо. Тому я дуже радий продовжувати знижувати напругу актуатора”, – говорить він.

Команда зараз розглядає методи, які є більш точними, ніж нанесення шару, щоб зробити шари тонші. Чен сподівається, що товщину можна зменшити до 1 мікрометра.