Investigadores del MIT crean un microrobot con actuadores blandos
Cuando se trata de robots, más no siempre es mejor. Algún día, un enjambre de robots del tamaño de un insecto podrá polinizar cultivos o buscar supervivientes entre los escombros de un edificio derrumbado.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts presentaron diminutos drones que pueden moverse con una maniobrabilidad y una estabilidad similares a las de los insectos, y que finalmente podrían realizar estas tareas.
Los actuadores blandos que impulsan estos microrrobots son muy resistentes, pero requieren un voltaje mucho mayor que los actuadores rígidos de tamaño similar. Los robots ligeros no pueden transportar la electrónica de potencia necesaria para volar por sí mismos.
Los investigadores desarrollaron por primera vez una técnica de fabricación que les permite crear actuadores blandos que funcionan con un voltaje un 75% inferior al de las versiones actuales y que transportan un 80% más de carga útil. Estos actuadores blandos se parecen a músculos artificiales que agitan rápidamente las alas del robot.
La nueva técnica de fabricación permite crear músculos artificiales con menos defectos, lo que prolonga considerablemente la vida útil de los componentes y aumenta el rendimiento y la carga útil del robot.
«Esto nos abre muchas posibilidades en el futuro para pasar a usar electrónica de potencia en el microrrobot. La gente tiende a pensar que los robots blandos no son tan capaces como los rígidos. Demostramos que este robot, que pesa menos de un gramo, vuela durante más tiempo y con el menor error en vuelo estacionario. La idea principal es que los robots blandos pueden superar a los rígidos en rendimiento»
El microrrobot rectangular tiene cuatro pares de alas, cada uno accionado por un actuador blando. Estos actuadores musculosos están hechos de capas de elastómero intercaladas entre dos electrodos muy finos y luego enrolladas en un cilindro blando. Cuando se aplica voltaje al actuador, los electrodos comprimen el elastómero, y esta tensión mecánica se utiliza para batir el ala.
Cuanto mayor es la superficie del actuador, menos voltaje se necesita. Chen y su equipo fabrican estos músculos artificiales alternando el mayor número posible de capas ultrafinas de elastómero y electrodo. A medida que las capas de elastómero se vuelven más finas, se vuelven más inestables.
Por primera vez, los investigadores lograron crear un actuador con 20 capas, cada una de 10 micrómetros de grosor (aproximadamente el diámetro de un glóbulo rojo). Pero para ello tuvieron que reinventar partes del proceso de fabricación.
Uno de los principales obstáculos fue el proceso de recubrimiento por centrifugado. Durante el recubrimiento con este método, el elastómero se vierte sobre una superficie plana y gira rápidamente, mientras la fuerza centrífuga estira la película hacia afuera, haciéndola más fina.
«En este proceso, el aire vuelve a entrar en el elastómero y forma muchas burbujas de aire microscópicas. El diámetro de estas burbujas es de apenas un micrómetro, por lo que antes simplemente las ignorábamos. Pero cuando las capas se vuelven cada vez más finas, el efecto de las burbujas de aire se hace cada vez más fuerte. Por eso la gente no puede fabricar capas muy finas»
Los investigadores descubrieron que, si aplican un proceso de vacío inmediatamente después del recubrimiento por centrifugado, mientras el elastómero aún está húmedo, este elimina las burbujas de aire. Después, hornean el elastómero para que se seque.
Según Chen, eliminar estos defectos aumenta la potencia de salida del actuador en más de un 300% y prolonga notablemente su vida útil.
Los investigadores también optimizaron los electrodos finos, que están formados por nanotubos de carbono: haces de carbono ultrarresistentes que tienen aproximadamente 1/50 000 del diámetro de un cabello humano. Concentraciones más altas de nanotubos de carbono aumentan la potencia de salida del actuador y reducen el voltaje, pero las capas densas también contienen más defectos.
Por ejemplo, los nanotubos de carbono tienen extremos afilados y pueden perforar el elastómero, lo que provoca un cortocircuito en el dispositivo. Tras muchos ensayos y errores, los investigadores encontraron la concentración óptima. Otro problema aparece en la etapa de curado: cuantas más capas se añaden, más tiempo tarda en secarse el actuador.
«La primera vez que pedí a mi estudiante que fabricara un actuador multicapa, consiguió 12 capas, pero tuvo que esperar dos días a que se solidificara. Eso es totalmente inaceptable, sobre todo si quieres aumentar el número de capas»
Descubrieron que hornear cada capa durante unos minutos justo después de transferir los nanotubos de carbono al elastómero reduce el tiempo de curado a medida que se añaden capas adicionales.
Tras aplicar esta técnica para crear un músculo artificial de 20 capas, los investigadores lo compararon con su versión anterior de seis capas y con actuadores rígidos modernos.
Durante los experimentos de despegue, el actuador de 20 capas, que necesita menos de 500 voltios para funcionar, generó suficiente energía para dar al robot una relación de empuje a peso de 3,7:1, de modo que podía transportar objetos casi tres veces más pesados que él.
También demostraron un vuelo estacionario de 20 segundos. El robot suspendido se mantuvo más estable que cualquier otro. El actuador de 20 capas seguía funcionando sin fallos después de más de dos millones de ciclos, lo que supera con creces la vida útil de otros actuadores.
«Hace dos años creamos un actuador con máxima potencia, y apenas podía volar. Empezamos a preguntarnos si los robots blandos podrían competir alguna vez con los rígidos. Observamos un defecto tras otro, así que seguimos trabajando y resolviendo un problema de fabricación tras otro, y ahora el rendimiento del actuador blando no es inferior. Incluso es algo mejor que el de los rígidos modernos. Y en la ciencia de materiales todavía hay varios procesos de fabricación que no entendemos. Por eso estoy muy contento de seguir reduciendo el voltaje de activación»
Chen espera colaborar con Niroui para fabricar actuadores en la sala limpia de MIT.nano y utilizar técnicas de nanofabricación. Actualmente, su equipo está limitado por lo finas que pueden hacer las capas debido al polvo del aire y a la velocidad máxima de recubrimiento. Trabajar en una sala limpia elimina este problema y les permite usar métodos más precisos que el recubrimiento por centrifugado.
Aunque Chen se entusiasma con la fabricación de capas de actuadores de 10 micrómetros, espera reducir el grosor a un micrómetro, lo que abriría las puertas a muchas aplicaciones de estos robots del tamaño de un insecto.
