麻省理工学院研究人员开发出配备柔性驱动器的微型机器人
在机器人领域，并非越大越好。未来，一群昆虫大小的机器人或许能够为农作物授粉，或在倒塌建筑的废墟中搜寻幸存者。
麻省理工学院的研究人员展示了一些微型无人机，它们能够像昆虫一样灵活、稳定地飞行，并最终有望完成上述任务。
驱动这些微型机器人的软驱动器非常坚固，但与同等尺寸的刚性驱动器相比，它们需要高得多的电压。重量很轻的机器人无法搭载使其能够自主飞行所需的电力电子设备。
研究人员率先开发出一种制造技术，使他们能够制造出工作电压比现有版本低75%、可承载的有效载荷多80%的软驱动器。这些软驱动器类似于人工肌肉，能够快速扇动机器人的翅膀。
新的制造技术可以制造缺陷更少的人工肌肉，这显著延长了组件的使用寿命，并提高了机器人的性能和有效载荷。
“这为未来将电力电子设备应用于微型机器人开辟了诸多可能。人们往往认为软体机器人的能力不如刚性机器人。我们证明，这个重量不到一克的机器人在悬停飞行时飞行时间最长、误差最小。核心思想在于，软体机器人在性能上可以超越刚性机器人。”
这款矩形微型机器人有四组翅膀，每组翅膀均由一个软驱动器驱动。这些肌肉状驱动器由多层弹性体制成，弹性体夹在两层极薄的电极之间，然后卷成柔软的圆柱体。当驱动器通电时，电极会压缩弹性体，这种机械应力用于拍动翅膀。
驱动器的表面积越大，所需的电压就越低。陈及其团队通过交替叠放尽可能多的超薄弹性体层和电极层来制造这些人工肌肉。随着弹性体层变薄，它们的稳定性也随之下降。
研究人员首次成功制造出包含20层的驱动器，每层厚度为10微米（约相当于一个红细胞的直径）。但为此，他们不得不重新设计部分制造工艺。
主要障碍之一是离心涂布工艺。在采用这种方法涂布时，弹性体被倒在平坦的表面上并高速旋转，离心力会将薄膜向外拉伸，使其变得更薄。
“在此过程中，空气会重新进入弹性体，形成大量微小的气泡。这些气泡的直径仅为一微米，因此以前我们基本忽略了它们。但随着各层越来越薄，气泡的影响也越来越大。这就是为什么人们无法制造非常薄的层”
研究人员发现，如果在离心涂布之后、弹性体仍处于湿润状态时立即进行抽真空处理，就能排出气泡。随后，他们对弹性体进行烘烤，使其干燥。
陈表示，消除这些缺陷可使驱动器的输出功率提高300%以上，并显著延长其使用寿命。
研究人员还优化了由碳纳米管制成的极薄电极。碳纳米管是一种超强的碳束，其直径约为人类头发丝的1/50000。碳纳米管浓度越高，驱动器的输出功率越大，所需电压越低，但致密的层中也包含更多缺陷。
例如，碳纳米管的尖端很锋利，可能会刺穿弹性体，导致设备短路。经过长期反复试验，研究人员找到了最佳浓度。另一个问题出现在固化阶段：添加的层数越多，驱动器干燥所需的时间就越长。
“我第一次让学生制作多层驱动器时，他做了12层，但不得不等待两天才能让其固化。这是完全不可接受的，尤其是在您想增加层数的情况下”
他们发现，在将碳纳米管转移到弹性体上后，立即对每一层烘烤几分钟，可以随着层数的增加缩短固化时间。
在使用该技术制造出20层人工肌肉后，研究人员将其与他们之前的六层版本以及现有的刚性驱动器进行了对比测试。
在起飞实验中，这款20层驱动器的工作电压低于500伏，产生的能量足以使机器人的升力与重量之比达到3.7:1，因此它能够搬运几乎是自身重量三倍的物体。
他们还展示了持续20秒的悬停飞行。悬停的机器人比其他任何机器人都更加稳定。这款20层驱动器在经历超过200万次循环后仍能正常工作，这远超其他驱动器的使用寿命。
“两年前，我们制造了一款最大功率的驱动器，但它几乎无法飞行。我们开始思考，软体机器人能否与刚性机器人一较高下？我们不断遇到一个又一个缺陷，因此我们坚持不懈，逐一解决生产中的难题，如今软驱动器的性能已不逊色，甚至比现有的刚性驱动器略胜一筹。而且在材料科学领域，仍有许多我们尚未理解的制造工艺。因此，我非常乐意继续降低驱动电压”
陈希望与Niroui合作，在MIT.nano的洁净室中制造驱动器，并运用纳米制造技术。目前，他的团队受限于空气中的灰尘以及涂布的最高速度，无法将各层做得更薄。在洁净室中工作可以解决这一问题，并使他们能够采用比离心涂布更精确的方法。
尽管陈热衷于制造10微米厚的驱动器层，但他希望将厚度降至一微米，这将为这些昆虫大小的机器人的众多应用打开大门。
