Дослідники MIT створили мікроробота з м'якими приводами
Коли мова йде про роботів, більше — не завжди краще. Колись рій роботів розміром із комах зможе запилювати посіви або шукати тих, хто вижив, серед уламків зруйнованої будівлі.
Дослідники Массачусетського технологічного інституту продемонстрували крихітних дронів, які можуть переміщатися зі схожою на жуків маневреністю та стійкістю і які зрештою зможуть виконувати ці завдання.
М'які приводи, які приводять в рух цих мікророботів, дуже міцні, але для них потрібна значно вища напруга, ніж для жорстких приводів подібного розміру. Легкі роботи не можуть нести необхідну силову електроніку, яка дозволила б їм летіти самостійно.
Дослідники першими розробили техніку виготовлення, яка дозволяє створювати м'які приводи, що працюють з напругою на 75% нижчою, ніж поточні версії, і несуть на 80% більше корисного навантаження. Ці м'які приводи схожі на штучні м'язи, які швидко махають крилами робота.
Нова технологія виготовлення дозволяє створювати штучні м'язи з меншою кількістю дефектів, що значно подовжує термін служби компонентів і підвищує продуктивність та корисне навантаження робота.
«Це відкриває для нас багато можливостей у майбутньому, щоб перейти до використання силової електроніки в мікроробототехніці. Люди схильні думати, що м'які роботи не такі здатні, як жорсткі. Ми демонструємо, що цей робот вагою менше грама літає найдовше з найменшою похибкою під час польоту в режимі зависання. Основна ідея полягає в тому, що м'які роботи можуть перевершувати жорстких роботів за продуктивністю»
Прямокутний мікроробот має чотири набори крил, кожен з яких приводиться в рух м'яким приводом. Ці м'язисті приводи зроблені із шарів еластомеру, які затиснуті між двома дуже тонкими електродами і потім згорнуті в м'який циліндр. Коли на привод подається напруга, електроди стискають еластомер, а це механічне напруження використовується для змаху крила.
Чим більша площа поверхні приводу, тим менше потрібно напруги. Чен та його команда створюють ці штучні м'язи, чергуючи якомога більше ультратонких шарів еластомеру та електрода. Оскільки шари еластомеру стають тоншими, вони стають більш нестабільними.
Вперше дослідники змогли створити привод із 20 шарами, кожен товщиною 10 мікрометрів (приблизно діаметр еритроцита). Але для цього їм довелося заново винайти частини процесу виготовлення.
Одним з основних перешкод став процес нанесення покриття методом центрифугування. Під час нанесення покриття цим методом еластомер виливається на плоску поверхню і швидко обертається, а відцентрова сила витягує плівку назовні, роблячи її тоншою.
«У цьому процесі повітря повертається в еластомер і утворює безліч мікроскопічних бульбашок повітря. Діаметр цих бульбашок становить лише один мікрометр, тому раніше ми їх просто ігнорували. Але коли шари стають дедалі тоншими, дія бульбашок повітря стає дедалі сильнішою. Саме тому люди не можуть робити дуже тонкі шари»
Дослідники виявили, що якщо вони проводять процес вакуумування одразу після нанесення покриття центрифугуванням, поки еластомер ще вологий, він видаляє бульбашки повітря. Потім вони запікають еластомер, щоб він висох.
За словами Чена, усунення цих дефектів збільшує вихідну потужність приводу більш ніж на 300% і значно подовжує його термін служби.
Дослідники також оптимізували тонкі електроди, які складаються з вуглецевих нанотрубок — надміцних пучків вуглецю, діаметр яких становить приблизно 1/50 000 діаметра людського волосся. Вищі концентрації вуглецевих нанотрубок збільшують вихідну потужність приводу та знижують напругу, але щільні шари також містять більше дефектів.
Наприклад, вуглецеві нанотрубки мають гострі кінці і можуть пробити еластомер, що призводить до короткого замикання пристрою. Після тривалих проб і помилок дослідники знайшли оптимальну концентрацію. Інша проблема виникає на етапі затвердіння — чим більше шарів додається, тим довше висихає привод.
«Коли я вперше попросив свого учня зробити багатошаровий привод, він набрав 12 шарів, але йому довелося чекати два дні, поки він застигне. Це абсолютно неприйнятно, особливо якщо ви хочете збільшити кількість шарів»
Вони виявили, що запікання кожного шару протягом кількох хвилин одразу після перенесення вуглецевих нанотрубок на еластомер скорочує час затвердіння в міру додавання додаткових шарів.
Після використання цієї техніки для створення 20-шарової штучної м'язи дослідники перевірили її порівняно зі своєю попередньою шестишаровою версією та сучасними жорсткими приводами.
Під час експериментів з відриву 20-шаровий привод, для роботи якого потрібно менше 500 вольт, видавав достатньо енергії, щоб забезпечити роботу співвідношення підйомної сили до ваги 3,7:1, тож він міг нести предмети, які майже втричі перевищують його вагу.
Вони також продемонстрували 20-секундний політ у режимі зависання. Робот, що парив, тримався стабільніше, ніж будь-який інший. Привод із 20 шарами все ще працював без збоїв після понад двох мільйонів циклів, що значно перевищує термін служби інших приводів.
«Два роки тому ми створили привод із максимальною потужністю, і він ледве міг літати. Ми почали замислюватися, чи можуть м'які роботи колись конкурувати з жорсткими? Ми спостерігали один дефект за іншим, тож ми продовжували працювати і вирішували одну виробничу проблему за іншою, і тепер характеристики м'якого актуатора не поступаються. Вони навіть трохи кращі за сучасні жорсткі. І в матеріалознавстві досі існує низка виробничих процесів, які ми не розуміємо. Тому я дуже радий продовжити зниження напруги спрацювання»
Чен сподівається на співпрацю з Niroui у створенні приводів у чистій кімнаті MIT.nano і використанні технологій наноовиробництва. Тепер його команда обмежена тим, наскільки тонкими вони можуть зробити шари через пил у повітрі та максимальну швидкість нанесення покриття. Робота в чистому приміщенні усуває цю проблему і дозволяє їм використовувати методи, які точніші за нанесення покриття центрифугуванням.
Хоча Чен захоплений виробництвом 10-мікрометрових шарів виконавчих механізмів, він сподівається зменшити товщину до одного мікрометра, що відкриє двері для багатьох застосувань цих роботів розміром із комах.
