Исследователи Массачусетского технологического института разработали эластичные искусственные мышцы, которые могут позволить воздушным роботам размером с насекомое эффективно восстанавливать летные характеристики после серьезных повреждений. Фото: предоставлено исследователями

Адам Зеве | Офис новостей Массачусетского технологического института

Шмели — неуклюжие летуны. Подсчитано, что пчела-собирательница натыкается на цветок примерно раз в секунду, что со временем повреждает ее крылья. Тем не менее, несмотря на множество крошечных разрывов или отверстий в крыльях, шмели все еще могут летать.

С другой стороны, воздушные роботы не так устойчивы. Проделайте отверстия в моторах крыльев робота или отрежьте часть его пропеллера, и шансы на то, что он будет заземлен, весьма высоки.

Вдохновленные выносливостью шмелей, исследователи из Массачусетского технологического института разработали методы ремонта, которые позволяют летательному роботу размером с жука выдерживать серьезные повреждения исполнительных механизмов или искусственных мышц, приводящих в действие его крылья, но при этом эффективно летать.

Они оптимизировали эти искусственные мышцы, чтобы робот мог лучше изолировать дефекты и преодолевать незначительные повреждения, такие как крошечные отверстия в приводе. Кроме того, они продемонстрировали новый метод лазерного ремонта, который может помочь роботу восстановиться после серьезных повреждений, таких как пожар, обжигающий устройство.

Используя их методы, поврежденный робот мог поддерживать летные характеристики после того, как одна из его искусственных мышц была проткнута 10 иглами, а привод все еще мог работать после того, как в нем была прожжена большая дыра. Их методы ремонта позволили роботу продолжать летать даже после того, как исследователи отрезали 20 процентов его крыла.

Это может сделать рои крошечных роботов более способными выполнять задачи в сложных условиях, например, проводить поисковую миссию через разрушающееся здание или густой лес.

«Мы потратили много времени, чтобы понять динамику мягких искусственных мышц, и благодаря новому методу изготовления и новому пониманию мы можем продемонстрировать уровень устойчивости к повреждениям, сравнимый с насекомыми», — говорит он. Кевин ЧенД. Рид Уидон-младший, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS), руководитель лаборатории мягкой и микроробототехники Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и старший автор бумага об этих последних достижениях. «Мы очень взволнованы этим. Но насекомые все же превосходят нас в том смысле, что они могут потерять до 40 процентов своего крыла и все равно летать. Нам еще есть над чем поработать».

Чен написал статью вместе с ведущими авторами Сухан Ким и И-Хсуан Сяо, которые являются аспирантами EECS; Ёнхун Ли, постдок; Вейкун «Спенсер» Чжу, аспирант кафедры химического машиностроения; Чжицзянь Рен, аспирант EECS; и Фарназ Нироуи, EE Landsman Career Development Assistant Professor EECS в Массачусетском технологическом институте и член RLE. Статья появилась в Научная робототехника.

Методы ремонта роботов

Используя методы ремонта, разработанные исследователями Массачусетского технологического института, этот микроробот все еще может поддерживать летные характеристики даже после того, как искусственные мышцы, приводящие в движение его крылья, были проткнуты 10 иглами, а 20 процентов одного конца крыла были отрезаны. Кредит: Предоставлено исследователями.

Крошечные прямоугольные роботы, разрабатываемые в лаборатории Чена, примерно такого же размера и формы, как микрокассетная лента, хотя один робот весит чуть больше скрепки. Крылья на каждом углу приводятся в действие приводами из диэлектрического эластомера (DEA), которые представляют собой мягкие искусственные мышцы, использующие механические силы для быстрого взмаха крыльев. Эти искусственные мышцы сделаны из слоев эластомера, которые зажаты между двумя тонкими как бритва электродами, а затем свернуты в мягкую трубку. При подаче напряжения на ДЭА электроды сжимают эластомер, который взмахивает крылом.

Но микроскопические дефекты могут вызвать искры, которые сожгут эластомер и приведут к выходу устройства из строя. Около 15 лет назад исследователи обнаружили, что могут предотвратить сбои DEA из-за одного крошечного дефекта, используя физическое явление, известное как самоочищение. В этом процессе приложение высокого напряжения к DEA отключает локальный электрод вокруг небольшого дефекта, изолируя этот отказ от остальной части электрода, чтобы искусственная мышца продолжала работать.

Чен и его сотрудники использовали этот процесс самоочищения в своих методах ремонта роботов.

Во-первых, они оптимизировали концентрацию углеродных нанотрубок, из которых состоят электроды DEA. Углеродные нанотрубки — это сверхпрочные, но очень маленькие рулоны углерода. Меньшее количество углеродных нанотрубок в электроде улучшает самоочищение, поскольку он достигает более высоких температур и легче сгорает. Но это также снижает удельную мощность привода.

«В определенный момент вы не сможете получить достаточно энергии из системы, но нам нужно много энергии и мощности, чтобы управлять роботом. Нам нужно было найти оптимальную точку между этими двумя ограничениями — оптимизировать свойство самоочищения при условии, что мы все еще хотим, чтобы робот летал», — говорит Чен.

Однако даже оптимизированный DEA выйдет из строя, если он сильно поврежден, например, из-за большой дыры, которая пропускает слишком много воздуха в устройство.

Чен и его команда использовали лазер для устранения крупных дефектов. По внешним контурам большого дефекта аккуратно вырезают лазером, что наносит мелкие повреждения по периметру. Затем они могут использовать самоочистку, чтобы сжечь слегка поврежденный электрод, изолируя более крупный дефект.

«В каком-то смысле мы пытаемся делать операции на мышцах. Но если мы не используем достаточно энергии, мы не сможем нанести достаточно урона, чтобы изолировать дефект. С другой стороны, если мы используем слишком много энергии, лазер нанесет серьезный ущерб приводу, который будет невозможно устранить», — говорит Чен.

Команда вскоре поняла, что при «работе» с такими крошечными устройствами очень трудно наблюдать за электродом, чтобы увидеть, успешно ли они изолировали дефект. Опираясь на Предыдущая работа, они включили в привод электролюминесцентные частицы. Теперь, если они видят сияние, они знают, что часть привода работает, но темные пятна означают, что они успешно изолировали эти области.

Новое исследование может сделать рои крошечных роботов более способными выполнять задачи в сложных условиях, например, проводить поисковую миссию через разрушающееся здание или густой лес. Фото: предоставлено исследователями

Успех летных испытаний

После того, как они усовершенствовали свои методы, исследователи провели тесты с поврежденными приводами — в некоторые из них было проткнуто множество игл, а в других были прожжены дыры. Они измерили, насколько хорошо робот показал себя в экспериментах с взмахами крыльев, взлетом и зависанием.

Даже с поврежденными DEA методы ремонта позволили роботу сохранить свои летные характеристики с ошибками высоты, положения и ориентации, которые лишь незначительно отличались от ошибок неповрежденного робота. С помощью лазерной хирургии DEA, который не подлежал бы ремонту, смог восстановить 87% своей производительности.

«Я должен передать это двум моим ученикам, которые проделали большую тяжелую работу, управляя роботом. Самостоятельно летать на роботе очень сложно, не говоря уже о том, что мы намеренно его повреждаем», — говорит Чен.

Эти методы ремонта делают крошечных роботов намного более надежными, поэтому Чен и его команда сейчас работают над обучением их новым функциям, таким как приземление на цветы или полет в рое. Они также разрабатывают новые алгоритмы управления, чтобы роботы могли летать лучше, обучают роботов контролировать угол рыскания, чтобы они могли сохранять постоянный курс, и позволяют роботам нести крошечную цепь с долгосрочной целью – нести свою собственную. источник питания.

«Эта работа важна, потому что маленькие летающие роботы — и летающие насекомые! — постоянно сталкиваются с окружающей их средой. Небольшие порывы ветра могут стать огромными проблемами для мелких насекомых и роботов. Таким образом, нам нужны методы повышения их устойчивости, если мы когда-нибудь надеемся использовать таких роботов в естественных условиях», — говорит Ник Гравиш, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Сан-Диего. кто не участвовал в этом исследовании. «Эта статья демонстрирует, как мягкое срабатывание и механика тела могут адаптироваться к повреждениям, и я думаю, что это впечатляющий шаг вперед».

Эта работа частично финансируется Национальным научным фондом (NSF) и стипендией MathWorks.