Roboții rezistenți de mărimea unui bug continuă să zboare chiar și după deteriorarea aripilor

15 martie 2023 (Știri Nanowerk) Bondarii sunt zburători stângaci. Se estimează că o albină care caută hrană se lovește de o floare aproximativ o dată pe secundă, ceea ce îi distruge aripile în timp. Cu toate acestea, deși au multe rupturi sau găuri mici în aripi, bondarii pot zbura în continuare. Roboții aerieni, pe de altă parte, nu sunt atât de rezistenți. Faceți găuri în motoarele aripilor robotului sau tăiați o parte din elicea acestuia și șansele sunt destul de bune ca să fie împământat. Inspirați de rezistența bondarilor, cercetătorii de la MIT au dezvoltat tehnici de reparare care permit unui robot aerian de mărimea unui bug să sufere daune severe la actuatorii sau mușchii artificiali care îi alimentează aripile, dar să zboare în continuare eficient. Ei au optimizat acești mușchi artificiali, astfel încât robotul să poată izola mai bine defectele și să depășească daune minore, cum ar fi mici găuri în actuator. În plus, ei au demonstrat o nouă metodă de reparare cu laser, care poate ajuta robotul să se recupereze după daune grave, cum ar fi un incendiu care arsează dispozitivul. Folosind tehnicile lor, un robot deteriorat ar putea menține performanța la nivelul zborului după ce unul dintre mușchii săi artificiali a fost lovit de 10 ace, iar dispozitivul de acționare a fost încă capabil să funcționeze după ce o gaură mare a fost arsă în el. Metodele lor de reparare au permis unui robot să continue să zboare chiar și după ce cercetătorii i-au tăiat 20% din vârful aripii. Acest lucru ar putea face roiuri de roboți minusculi mai capabili să îndeplinească sarcini în medii dificile, cum ar fi efectuarea unei misiuni de căutare printr-o clădire care se prăbușește sau o pădure deasă. Folosind tehnicile de reparare dezvoltate de cercetătorii MIT, acest microrobot poate menține în continuare performanța la nivel de zbor chiar și după ce mușchii artificiali care îi alimentează aripile au fost înțepați de 10 ace și 20% din vârful unei aripi a fost tăiat. (Imagine: Cu amabilitatea cercetătorilor) „Am petrecut mult timp înțelegând dinamica mușchilor moi, artificiali și, atât printr-o nouă metodă de fabricare, cât și printr-o nouă înțelegere, putem arăta un nivel de rezistență la daune care este comparabil cu cel al insectelor. ”, spune Kevin Chen, D. Reid Weedon, Jr. Profesor asistent la Departamentul de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor (EECS), șeful Laboratorului de Robotică Soft și Micro din Laboratorul de Cercetare a Electronicei (RLE) și autor principal al lucrării despre aceste ultime progrese (Știința robotică, „Recuperarea defecțiunilor asistată cu laser pentru actuatoarele din elastomer dielectric la roboții aerieni”). „Suntem foarte încântați de acest lucru. Dar insectele sunt încă superioare nouă, în sensul că își pot pierde până la 40 la sută din aripă și tot zboară. Mai avem de făcut ceva de recuperare.” Chen a scris lucrarea împreună cu autorii principali Suhan Kim și Yi-Hsuan Hsiao, care sunt studenți absolvenți ai EECS; Younghoon Lee, postdoc; Weikun „Spencer” Zhu, un student absolvent la Departamentul de Inginerie Chimică; Zhijian Ren, un student absolvent EECS; și Farnaz Niroui, profesor asistent de dezvoltare a carierei EE Landsman al EECS la MIT și membru al RLE.

Tehnici de reparare a roboților

Roboții mici, dreptunghiulari, care sunt dezvoltați în laboratorul lui Chen, au aproximativ aceeași dimensiune și formă ca o bandă de microcasetă, deși un robot cântărește abia mai mult decât o agrafă. Aripile de pe fiecare colț sunt alimentate de dispozitive de acționare din elastomer dielectric (DEA), care sunt mușchi artificiali moi care folosesc forțe mecanice pentru a bate rapid aripile. Acești mușchi artificiali sunt alcătuiți din straturi de elastomer care sunt prinse între doi electrozi subțiri ca brici și apoi rulați într-un tub squishy. Când se aplică tensiune la DEA, electrozii stoarce elastomerul, care bate aripa. Dar imperfecțiunile microscopice pot provoca scântei care ard elastomerul și pot cauza defectarea dispozitivului. În urmă cu aproximativ 15 ani, cercetătorii au descoperit că ar putea preveni eșecurile DEA dintr-un defect minuscul utilizând un fenomen fizic cunoscut sub numele de auto-eliminare. În acest proces, aplicarea unei tensiuni înalte la DEA deconectează electrodul local în jurul unui mic defect, izolând acea defecțiune de restul electrodului, astfel încât mușchiul artificial să funcționeze în continuare. Chen și colaboratorii săi au folosit acest proces de auto-eliminare în tehnicile lor de reparare a roboților. În primul rând, au optimizat concentrația de nanotuburi de carbon care cuprind electrozii din DEA. Nanotuburile de carbon sunt rulouri de carbon foarte puternice, dar extrem de mici. Având mai puține nanotuburi de carbon în electrod, îmbunătățește auto-curățarea, deoarece atinge temperaturi mai ridicate și arde mai ușor. Dar acest lucru reduce și densitatea de putere a actuatorului. „La un moment dat, nu veți putea obține suficientă energie din sistem, dar avem nevoie de multă energie și putere pentru a zbura robotul. A trebuit să găsim punctul optim între aceste două constrângeri – să optimizăm proprietatea de auto-curătură sub constrângerea că încă vrem ca robotul să zboare”, spune Chen. Cu toate acestea, chiar și un DEA optimizat va eșua dacă suferă deteriorări grave, cum ar fi o gaură mare care lasă prea mult aer să intre în dispozitiv. Chen și echipa sa au folosit un laser pentru a depăși defecte majore. Au tăiat cu atenție de-a lungul contururilor exterioare ale unui defect mare cu un laser, care provoacă daune minore în jurul perimetrului. Apoi, pot folosi auto-curățarea pentru a arde electrodul ușor deteriorat, izolând defectul mai mare. „Într-un fel, încercăm să facem o intervenție chirurgicală pe mușchi. Dar dacă nu folosim suficientă putere, atunci nu putem face suficiente daune pentru a izola defectul. Pe de altă parte, dacă folosim prea multă putere, laserul va provoca o deteriorare gravă a actuatorului, care nu va putea fi eliminată”, spune Chen. Echipa și-a dat seama curând că, atunci când „operează” pe astfel de dispozitive minuscule, este foarte dificil să observi electrodul pentru a vedea dacă au izolat cu succes un defect. Bazându-se pe lucrările anterioare pe licurici robotici, au încorporat particule electroluminiscente în actuator. Acum, dacă văd lumina strălucind, ei știu că o parte a actuatorului este operațională, dar pete întunecate înseamnă că au izolat cu succes acele zone.

Test de zbor cu succes

Odată ce și-au perfecționat tehnicile, cercetătorii au efectuat teste cu dispozitive de acționare deteriorate - unii au fost loviti de multe ace, în timp ce alții aveau găuri arse în ele. Ei au măsurat cât de bine s-a comportat robotul în experimentele de batare a aripii, decolare și flotare. Chiar și cu DEA-uri deteriorate, tehnicile de reparare au permis robotului să-și mențină performanța de zbor, cu erori de altitudine, poziție și atitudine care au deviat doar foarte puțin de la cele ale unui robot nedeteriorat. Cu operația cu laser, un DEA care ar fi fost rupt fără reparații a putut să-și recupereze 87% din performanță. „Trebuie să-l dau celor doi studenți ai mei, care au muncit mult când zburau cu robotul. Zborul robotului de la sine este foarte greu, ca să nu mai vorbim acum că îl stricăm în mod intenționat”, spune Chen. Aceste tehnici de reparare fac roboții minusculi mult mai robusti, așa că Chen și echipa sa lucrează acum să le învețe noi funcții, cum ar fi aterizarea pe flori sau zburarea într-un roi. Ei dezvoltă, de asemenea, noi algoritmi de control, astfel încât roboții să poată zbura mai bine, învățându-i pe roboți să-și controleze unghiul de rotire, astfel încât să poată menține o direcție constantă și permițând roboților să poarte un circuit mic, cu scopul pe termen mai lung de a-și transporta propriul său circuit. sursa de putere. „Această muncă este importantă pentru că roboți zburători mici – și insecte zburătoare! — se ciocnesc în mod constant cu mediul lor. Rafalele mici de vânt pot fi probleme uriașe pentru insectele mici și roboții. Astfel, avem nevoie de metode care să le creștem rezistența dacă sperăm vreodată să putem folosi roboți ca acesta în medii naturale”, spune Nick Gravish, profesor asociat la Departamentul de Inginerie Mecanică și Aerospațială de la Universitatea California din San Diego. care nu a fost implicat în această cercetare. „Această lucrare demonstrează modul în care acționarea moale și mecanica corpului se pot adapta la daune și cred că este un pas înainte impresionant.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62591.php