Trzmiele są niezdarnymi lotnikami. Szacuje się, że żerująca pszczoła wpada na kwiat mniej więcej raz na sekundę, co z czasem uszkadza jej skrzydła. Jednak pomimo wielu drobnych rozdarć lub dziur w skrzydłach, trzmiele wciąż potrafią latać.
Z drugiej strony roboty powietrzne nie są tak odporne. Zrób dziury w silnikach skrzydeł robota lub odetnij część jego śmigła, a są całkiem spore szanse, że zostanie uziemiony.
Zainspirowani wytrzymałością trzmieli, naukowcy z MIT opracowali techniki naprawcze, które umożliwiają latającemu robotowi wielkości owada doznać poważnych uszkodzeń siłowników lub sztucznych mięśni, które napędzają jego skrzydła – ale nadal skutecznie latać.
Zoptymalizowali te sztuczne mięśnie, aby robot mógł lepiej izolować defekty i przezwyciężać drobne uszkodzenia, takie jak małe dziury w siłowniku. Ponadto zademonstrowali nowatorską metodę naprawy laserowej, która może pomóc robotowi odzyskać siły po poważnych uszkodzeniach, takich jak pożar, który strawił urządzenie.
Korzystając z ich technik, uszkodzony robot mógł utrzymać wydajność na poziomie lotu po tym, jak jeden z jego sztucznych mięśni został dźgnięty 10 igłami, a siłownik nadal mógł działać po wypaleniu w nim dużego otworu. Ich metody naprawy umożliwiły robotowi latanie nawet po odcięciu 20 procent końcówki skrzydła.
Może to sprawić, że roje maleńkich robotów będą w stanie lepiej wykonywać zadania w trudnych warunkach, takich jak prowadzenie misji poszukiwawczej przez zawalający się budynek lub gęsty las.
„Spędziliśmy dużo czasu, aby zrozumieć dynamikę miękkich, sztucznych mięśni, a dzięki nowej metodzie produkcji i nowemu zrozumieniu możemy wykazać poziom odporności na uszkodzenia porównywalny z odpornością owadów. Jesteśmy tym bardzo podekscytowani. Ale owady wciąż są od nas lepsze w tym sensie, że mogą stracić do 40 procent swoich skrzydeł i nadal latać. Wciąż mamy trochę do nadrobienia” – mówi Kevin Chen, D. Reid Weedon, Młodszy adiunkt na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (EECS), kierownik Laboratorium Robotyki Miękkiej i Mikro w Laboratorium Badawczym Elektroniki (RLE) oraz główny autor artykułu poświęconego tym najnowszym osiągnięciom.
Chen napisał artykuł ze współprowadzącymi autorami i absolwentami EECS Suhan Kim i Yi-Hsuan Hsiao; Younghoon Lee, doktor habilitowany; Weikun „Spencer” Zhu, absolwent Wydziału Inżynierii Chemicznej; Zhijian Ren, doktorant EECS; oraz Farnaz Niroui, adiunkt EE Landsman Career Development w EECS na MIT i członek RLE. Artykuł ukaże się w Science Robotics.
Techniki naprawy robotów
Maleńkie, prostokątne roboty opracowywane w laboratorium Chena są mniej więcej tego samego rozmiaru i kształtu co kaseta magnetofonowa, chociaż jeden robot waży niewiele więcej niż spinacz do papieru. Skrzydła na każdym rogu są napędzane przez dielektryczne siłowniki elastomerowe (DEA), które są miękkimi sztucznymi mięśniami, które wykorzystują siły mechaniczne do szybkiego trzepotania skrzydłami. Te sztuczne mięśnie są wykonane z warstw elastomeru, które są umieszczone pomiędzy dwiema cienkimi jak brzytwa elektrodami, a następnie zwinięte w gąbczastą rurkę. Po przyłożeniu napięcia do DEA elektrody ściskają elastomer, który trzepocze skrzydłem.
Ale mikroskopijne niedoskonałości mogą powodować iskry, które spalają elastomer i powodują awarię urządzenia. Około 15 lat temu naukowcy odkryli, że mogą zapobiegać awariom DEA z jednej małej wady, wykorzystując zjawisko fizyczne znane jako samooczyszczanie. W tym procesie przyłożenie wysokiego napięcia do DEA odłącza lokalną elektrodę wokół małego defektu, izolując tę awarię od reszty elektrody, dzięki czemu sztuczny mięsień nadal działa.
Chen i jego współpracownicy zastosowali ten samooczyszczający się proces w swoich technikach naprawy robotów.
Najpierw zoptymalizowali stężenie nanorurek węglowych, z których składają się elektrody w DEA. Nanorurki węglowe to super mocne, ale niezwykle małe rolki węgla. Mniejsza liczba nanorurek węglowych w elektrodzie poprawia samooczyszczanie, ponieważ osiąga ona wyższe temperatury i łatwiej się wypala. Ale to również zmniejsza gęstość mocy siłownika.
„W pewnym momencie nie będziesz w stanie uzyskać wystarczającej ilości energii z systemu, ale potrzebujemy dużo energii i mocy, aby latać robotem. Musieliśmy znaleźć optymalny punkt między tymi dwoma ograniczeniami – zoptymalizować siebie -wyczyszczenie własności pod warunkiem, że nadal chcemy, aby robot latał” – mówi Chen.
Jednak nawet zoptymalizowany DEA zawiedzie, jeśli ulegnie poważnym uszkodzeniom, takim jak duża dziura, przez którą do urządzenia dostanie się zbyt dużo powietrza.
Chen i jego zespół użyli lasera do usunięcia poważnych defektów. Ostrożnie wycinają laserem wzdłuż zewnętrznych konturów dużego defektu, co powoduje niewielkie uszkodzenia na obwodzie. Następnie mogą użyć samooczyszczania, aby wypalić lekko uszkodzoną elektrodę, izolując większą wadę.
„W pewnym sensie próbujemy przeprowadzić operację na mięśniach. Ale jeśli nie użyjemy wystarczającej mocy, nie będziemy w stanie wyrządzić wystarczających szkód, aby wyizolować defekt. Z drugiej strony, jeśli użyjemy zbyt dużej mocy, laser spowoduje poważne uszkodzenie siłownika, którego nie da się usunąć” – mówi Chen.
Zespół szybko zdał sobie sprawę, że podczas „działania” na tak małych urządzeniach bardzo trudno jest obserwować elektrodę, aby sprawdzić, czy udało im się wyizolować defekt. Opierając się na wcześniejszych pracach, wprowadzili cząsteczki elektroluminescencyjne do siłownika. Teraz, jeśli widzą świecące światło, wiedzą, że część siłownika działa, ale ciemne plamy oznaczają, że udało im się odizolować te obszary.
Sukces testu w locie
Kiedy udoskonalili swoje techniki, naukowcy przeprowadzili testy z uszkodzonymi siłownikami – niektóre zostały dźgnięte wieloma igłami, podczas gdy inne miały wypalone dziury. Zmierzyli, jak dobrze robot radził sobie w eksperymentach z trzepotaniem skrzydłami, startem i zawisem.
Nawet w przypadku uszkodzonych DEA techniki naprawy umożliwiły robotowi utrzymanie wydajności lotu, z błędami wysokości, pozycji i postawy, które tylko nieznacznie odbiegały od błędów nieuszkodzonego robota. Dzięki chirurgii laserowej DEA, który zostałby uszkodzony nie do naprawienia, był w stanie odzyskać 87 procent swojej wydajności.
„Muszę to przekazać moim dwóm studentom, którzy wykonali dużo ciężkiej pracy, kiedy latali robotem. Latanie robotem samo w sobie jest bardzo trudne, nie wspominając już o tym, że celowo go uszkadzamy” – mówi Chen.
Te techniki naprawy sprawiają, że małe roboty są znacznie bardziej wytrzymałe, więc Chen i jego zespół pracują teraz nad nauczeniem ich nowych funkcji, takich jak lądowanie na kwiatach czy latanie w roju. Opracowują również nowe algorytmy sterowania, aby roboty mogły latać lepiej, ucząc je kontroli kąta odchylenia, aby mogły utrzymać stały kurs, i umożliwiając robotom prowadzenie małego obwodu, z długoterminowym celem, jakim jest prowadzenie własnego źródło prądu.
Ta praca jest częściowo finansowana przez National Science Foundation (NSF) i MathWorks Fellowship.