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2021-12-16Dando un impulso a los robots que parecen insectos

MIT |Una nueva técnica de fabricación produce músculos artificiales de bajo voltaje y densa energía que mejoran el rendimiento de los microrobots voladores.

Cuando se trata de robots, lo más grande no siempre es mejor. Algún día, un enjambre de robots del tamaño de insectos podría polinizar un campo de cultivo o buscar supervivientes entre los escombros de un edificio derrumbado.

Los investigadores del MIT han demostrado drones diminutos que pueden volar con una agilidad y resistencia similares a las de los insectos, que eventualmente podrían realizar estas tareas. Los actuadores suaves que impulsan a estos microrobots son muy duraderos, pero requieren voltajes mucho más altos que los actuadores rígidos de tamaño similar. Los robots de peso pluma no pueden llevar la electrónica de potencia necesaria que les permitiría volar por su cuenta.

Ahora, estos investigadores han sido pioneros en una técnica de fabricación que les permite construir actuadores suaves que operan con un voltaje un 75 por ciento más bajo que las versiones actuales mientras transportan un 80 por ciento más de carga útil. Estos actuadores blandos son como músculos artificiales que agitan rápidamente las alas del robot.

Esta nueva técnica de fabricación produce músculos artificiales con menos defectos, lo que prolonga drásticamente la vida útil de los componentes y aumenta el rendimiento y la carga útil del robot.   

“Esto abre muchas oportunidades en el futuro para que hagamos la transición a la instalación de electrónica de potencia en el microrobot. La gente tiende a pensar que los robots blandos no son tan capaces como los robots rígidos. Demostramos que este robot, que pesa menos de un gramo, vuela durante más tiempo con el menor error durante un vuelo estacionario. El mensaje para llevar a casa es que los robots blandos pueden superar el rendimiento de los robots rígidos ”, dice Kevin Chen, profesor asistente de D. Reid Weedon, Jr. ´41 en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, director de la Laboratorio de Soft and Micro Robotics en el Research Laboratory of Electronics (RLE), y autor principal del artículo.

Los coautores de Chen incluyen a Zhijian Ren y Suhan Kim, coautores principales y estudiantes graduados de EECS; Xiang Ji, científico investigador de EECS; Weikun Zhu, estudiante de posgrado en ingeniería química; Farnaz Niroui, profesor asistente en EECS; y Jing Kong, profesor de EECS e investigador principal de RLE. La investigación ha sido aceptada para su publicación en Advanced Materials y está incluida en la serie Rising Stars de la revista , que reconoce los trabajos sobresalientes de los investigadores que inician su carrera.

Haciendo músculos

El microrobot rectangular, que pesa menos de un cuarto de centavo, tiene cuatro juegos de alas, cada una impulsada por un actuador suave. Estos actuadores parecidos a músculos están hechos de capas de elastómero que se intercalan entre dos electrodos muy delgados y luego se enrollan en un cilindro blando. Cuando se aplica voltaje al actuador, los electrodos aprietan el elastómero y esa tensión mecánica se usa para batir el ala.

Cuanta más superficie tenga el actuador, menos voltaje se requiere. Entonces, Chen y su equipo construyen estos músculos artificiales alternando entre tantas capas ultrafinas de elastómero y electrodo como puedan. A medida que las capas de elastómero se vuelven más delgadas, se vuelven más inestables.

Por primera vez, los investigadores pudieron crear un actuador con 20 capas, cada una de las cuales tiene un grosor de 10 micrómetros (aproximadamente el diámetro de un glóbulo rojo). Pero tuvieron que reinventar partes del proceso de fabricación para llegar allí.

Un obstáculo importante provino del proceso de recubrimiento por rotación. Durante el recubrimiento por rotación, se vierte un elastómero sobre una superficie plana y se gira rápidamente, y la fuerza centrífuga tira de la película hacia afuera para hacerla más delgada.

“En este proceso, el aire regresa al elastómero y crea muchas burbujas de aire microscópicas. El diámetro de estas burbujas de aire es de apenas 1 micrómetro, por lo que anteriormente simplemente las ignoramos. Pero cuando obtienes capas cada vez más delgadas, el efecto de las burbujas de aire se vuelve cada vez más fuerte. Tradicionalmente, esa es la razón por la que la gente no ha podido hacer estas capas tan delgadas ”, explica Chen.

Él y sus colaboradores descubrieron que si realizan un proceso de aspiración inmediatamente después del recubrimiento por centrifugación, mientras el elastómero aún estaba húmedo, elimina las burbujas de aire. Luego, hornean el elastómero para secarlo.

La eliminación de estos defectos aumenta la potencia de salida del actuador en más de un 300 por ciento y mejora significativamente su vida útil, dice Chen.

Los investigadores también optimizaron los electrodos delgados, que están compuestos de nanotubos de carbono, rollos de carbono súper fuertes que tienen aproximadamente 1 / 50.000 del diámetro del cabello humano. Las concentraciones más altas de nanotubos de carbono aumentan la potencia de salida del actuador y reducen el voltaje, pero las capas densas también contienen más defectos.

Por ejemplo, los nanotubos de carbono tienen extremos afilados y pueden perforar el elastómero, lo que provoca un cortocircuito en el dispositivo, explica Chen. Después de mucho ensayo y error, los investigadores encontraron la concentración óptima.

Otro problema proviene de la etapa de curado: a medida que se agregan más capas, el actuador tarda cada vez más en secarse.

“La primera vez que le pedí a mi alumno que hiciera un actuador multicapa, una vez que llegó a las 12 capas, tuvo que esperar dos días para que se curara. Eso no es totalmente sostenible, especialmente si desea escalar a más capas ”, dice Chen.

Descubrieron que hornear cada capa durante unos minutos inmediatamente después de que los nanotubos de carbono se transfieren al elastómero reduce el tiempo de curado a medida que se agregan más capas.

El mejor rendimiento de su clase

Después de usar esta técnica para crear un músculo artificial de 20 capas, lo probaron con su versión anterior de seis capas y actuadores rígidos de última generación.

Durante los experimentos de despegue, el actuador de 20 capas, que requiere menos de 500 voltios para funcionar, ejerció suficiente potencia para darle al robot una relación elevación / peso de 3.7 a 1, por lo que podría transportar elementos que son casi tres veces su peso. .

También demostraron un vuelo estacionario de 20 segundos, que según Chen es el más largo jamás registrado por un robot de subgramo. Su robot flotante mantuvo su posición de manera más estable que cualquiera de los demás. El actuador de 20 capas seguía funcionando sin problemas después de haber sido impulsado durante más de 2 millones de ciclos, superando con creces la vida útil de otros actuadores.

“Hace dos años, creamos el actuador con mayor densidad de potencia y apenas podía volar. Empezamos a preguntarnos, ¿pueden los robots blandos competir alguna vez con los robots rígidos? Observamos un defecto tras otro, así que seguimos trabajando y resolvimos un problema de fabricación tras otro, y ahora el rendimiento del actuador suave se está poniendo al día. Son incluso un poco mejores que los rígidos de última generación. Y todavía hay una serie de procesos de fabricación en la ciencia de los materiales que no entendemos. Por lo tanto, estoy muy emocionado de continuar reduciendo el voltaje de actuación ”, dice.

Chen espera colaborar con Niroui para construir actuadores en una sala limpia en MIT.nano y aprovechar las técnicas de nanofabricación. Ahora, su equipo se limita a lo delgadas que pueden hacer las capas debido al polvo en el aire y una velocidad máxima de recubrimiento por centrifugado. Trabajar en una sala limpia elimina este problema y les permitiría utilizar métodos, como el raspador, que son más precisos que el recubrimiento por centrifugación.

Si bien Chen está encantado con la producción de capas de actuadores de 10 micrómetros, su esperanza es reducir el grosor a solo 1 micrómetro, lo que abriría la puerta a muchas aplicaciones para estos robots del tamaño de un insecto.

Este trabajo es apoyado, en parte, por el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y una beca de posgrado de Mathworks.

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