Исследователи MIT создали микроробота с мягкими приводами
Когда дело доходит до роботов, больше — не всегда лучше. Когда-нибудь рой роботов размером с насекомых сможет опылять посевы или искать выживших среди обломков разрушенного здания.
Исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали крошечных дронов, которые могут перемещаться с похожей на жучков маневренностью и устойчивостью и которые в конечном итоге смогут выполнять эти задачи.
Мягкие приводы, которые приводят в движение эти микророботов, очень прочные, но для них требуется гораздо более высокое напряжение, чем для жестких приводов аналогичного размера. Легкие роботы не могут нести необходимую силовую электронику, которая позволила бы им летать самостоятельно.
Исследователи первыми разработали технику изготовления, которая позволяет им создавать мягкие приводы, работающие с напряжением на 75% ниже, чем текущие версии, и несущие на 80% больше полезной нагрузки. Эти мягкие приводы похожи на искусственные мышцы, которые быстро машут крыльями робота.
Новая технология изготовления позволяет создавать искусственные мышцы с меньшим количеством дефектов, что значительно увеличивает срок службы компонентов и увеличивает производительность и полезную нагрузку робота.
«Это открывает для нас много возможностей в будущем, чтобы перейти к использованию силовой электроники в микророботе. Люди склонны думать, что мягкие роботы не так способны, как жесткие. Мы демонстрируем, что этот робот весом менее грамма летает дольше всего с наименьшей ошибкой во время полета в режиме зависания. Основная идея состоит в том, что мягкие роботы могут превосходить жестких роботов по производительности»
Прямоугольный микроробот имеет четыре набора крыльев, каждый из которых приводится в движение мягким приводом. Эти мускулистые приводы сделаны из слоев эластомера, которые зажаты между двумя очень тонкими электродами и затем свернуты в мягкий цилиндр. Когда на привод подается напряжение, электроды сжимают эластомер, а это механическое напряжение используется для взмаха крыла.
Чем больше площадь поверхности привода, тем меньше требуется напряжения. Чен и его команда создают эти искусственные мышцы, чередуя как можно больше ультратонких слоев эластомера и электрода. По мере того, как слои эластомера становятся тоньше, они становятся более нестабильными.
Впервые исследователи смогли создать привод с 20 слоями, каждый из которых имеет толщину 10 микрометров (примерно диаметр эритроцита). Но для этого им пришлось заново изобрести части процесса изготовления.
Одним из основных препятствий стал процесс нанесения покрытия методом центрифугивания. Во время нанесения покрытия этим методом эластомер выливается на плоскую поверхность и быстро вращается, а центробежная сила вытягивает пленку наружу, делая ее тоньше.
«В этом процессе воздух возвращается в эластомер и создает множество микроскопических пузырьков воздуха. Диаметр этих пузырьков воздуха составляет всего один микрометр, поэтому ранее мы просто игнорировали их. Но когда слои становятся все тоньше и тоньше, действие пузырьков воздуха становится все сильнее и сильнее. Вот почему люди не могут делать очень тонкие слои»
Исследователи обнаружили, что если они проводят процесс вакуумирования сразу после нанесения покрытия центрифугированием, пока эластомер еще был влажным, он удаляет пузырьки воздуха. Затем они запекают эластомер, чтобы он высох.
По словам Чена, устранение этих дефектов увеличивает выходную мощность привода более чем на 300% и значительно увеличивает срок его службы.
Исследователи также оптимизировали тонкие электроды, которые состоят из углеродных нанотрубок — сверхпрочных пучков углерода, которые составляют примерно 1/50 000 диаметра человеческого волоса. Более высокие концентрации углеродных нанотрубок увеличивают выходную мощность привода и снижают напряжение, но плотные слои также содержат больше дефектов.
Например, углеродные нанотрубки имеют острые концы и могут пробить эластомер, что приводит к короткому замыканию устройства. После долгих проб и ошибок исследователи нашли оптимальную концентрацию. Другая проблема возникает на стадии отверждения — чем больше слоев добавляется, тем дольше высыхает привод.
«В первый раз, когда я попросил своего ученика сделать многослойный привод, он набрал 12 слоев, но ему пришлось ждать два дня, пока он застынет. Это абсолютно неприемлемо, особенно если вы хотите увеличить количество слоев»
Они обнаружили, что запекание каждого слоя в течение нескольких минут сразу после переноса углеродных нанотрубок на эластомер сокращает время отверждения по мере добавления дополнительных слоев.
После использования этой техники для создания 20-слойной искусственной мышцы исследователи проверили ее в сравнении со своей предыдущей шестислойной версией и современными жесткими приводами.
Во время экспериментов по отрыву 20-слойный привод, для работы которого требуется менее 500 вольт, выдавал достаточно энергии, чтобы обеспечить роботу отношение подъемной силы к весу 3,7:1, так что он мог нести предметы, которые почти в три раза превышают его вес.
Они также продемонстрировали 20-секундный полет в режиме зависания. Парящий робот держался стабильнее, чем любой другой. Привод с 20 слоями все еще работал без сбоев после более чем двух миллионов циклов, что намного превышает срок службы других приводов.
«Два года назад мы создали привод с максимальной мощностью, и он едва мог летать. Мы начали задаваться вопросом, могут ли мягкие роботы когда-либо конкурировать с жесткими роботами? Мы наблюдали один дефект за другим, поэтому мы продолжали работать и решали одну производственную проблему за другой, и теперь характеристики мягкого актуатора не уступают. Они даже немного лучше современных жестких. И в материаловедении до сих пор существует ряд производственных процессов, которые мы не понимаем. Поэтому я очень рад продолжить снижение напряжения срабатывания»
Чен надеется на сотрудничество с Niroui в создании приводов в чистой комнате MIT.nano и использовании технологий нанопроизводства. Теперь его команда ограничена тем, насколько тонкими они могут сделать слои из-за пыли в воздухе и максимальной скорости нанесения покрытия. Работа в чистом помещении устраняет эту проблему и позволяет им использовать методы, которые более точны, чем нанесение покрытия центрифугированием.
Хотя Чен увлечен производством 10-микрометровых слоев исполнительных механизмов, он надеется уменьшить толщину до одного микрометра, что откроет двери для многих применений этих роботов размером с насекомых.
