可提高飞行微型机器人性能的低电压、高功率人造肌肉

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介电弹性体执行器 (DEA) 是一类特殊的人造肌肉,已用于构建类似动物的软机器人系统。大多数 DEA 需要更高的驱动电压,并且它们的功率密度和寿命仍然要低得多。这些限制为开发敏捷和强大的自主软机器人带来了重大挑战。在这里,报道了一种基于新型多层技术和电极材料优化的低电压、高耐久性和功率密集型 DEA。该机器人的悬停时间为20秒,位置和姿态误差小于2.5厘米和2°,超过 200 万次驱动循环的长寿命,是现有亚克级空中机器人中飞行时间最长、性能最好的飞行机器人。这一重要里程碑表明软体机器人可以超越最先进的刚性机器人,它为实现软体机器人飞行的动力自主性迈出了重要的一步。

麻省理工学院的研究人员开创了一种新的制造技术,使他们能够为空中微型机器人生产低电压、高功率密度、高耐用性的软执行器。

对于机器人来说,越大并不总是越好。有一天,一群昆虫大小的机器人可能会为一片庄稼地授粉或在倒塌建筑物的瓦砾中寻找幸存者。

麻省理工学院的研究人员已经展示了小型无人机,它们可以像虫子一样敏捷和灵活,最终可以执行这些任务。推动这些微型机器人的软执行器非常耐用,但与类似尺寸的刚性执行器相比,它们需要更高的电压。轻量级机器人无法携带必要的电力电子设备,使它们能够自行飞行。

现在,这些研究人员开创了一种制造技术,使他们能够构建软执行器,其工作电压比当前版本低 75%,同时承载多 80% 的有效载荷。这些软致动器就像人造肌肉,可以快速拍打机器人的翅膀。

这种新的制造技术可以生产缺陷更少的人造肌肉,从而显着延长组件的使用寿命并提高机器人的性能和有效载荷。

“这为我们在未来过渡到在微型机器人上安装电力电子设备提供了很多机会。人们往往认为软机器人不如刚性机器人能力强。我们证明了这款重量不到一克的机器人,在悬停飞行中飞行时间最长,误差最小。带回家的信息是软机器人可以超越刚性机器人的性能,“凯文陈说,他是电子工程与计算机科学系,电子研究实验室(RLE)软微机器人实验室负责人,论文资深作者。

制作肌肉

这个矩形微型机器人的重量不到四分之一美分,有四组翅膀,每组翅膀都由一个软执行器驱动。这些类似肌肉的致动器由多层弹性体制成,这些弹性体夹在两个非常薄的电极之间,然后卷成一个柔软的圆柱体。当向执行器施加电压时,电极会挤压弹性体,而这种机械应变用于拍动机翼。

致动器的表面积越大,所需的电压就越少。因此,陈和他的团队通过在尽可能多的弹性体和电极超薄层之间交替来构建这些人造肌肉。随着弹性体层变薄,它们变得更不稳定。

研究人员第一次能够制造出具有 20 层的致动器,每层的厚度为 10 微米(大约是红细胞的直径)。但他们必须重新发明部分制造过程才能实现这一目标。

一个主要障碍来自旋涂工艺。在旋涂过程中,将弹性体倒在平面上并快速旋转,离心力将薄膜向外拉,使其变薄。

“在这个过程中,空气回到弹性体中并产生大量微小气泡。这些气泡的直径只有 1 微米,所以以前我们只是忽略了它们。但是当你得到越来越薄的层时,气泡的影响变得越来越强。这就是传统上人们无法制造这些非常薄的层的原因,“陈解释说。

他和他的合作者发现,如果他们在旋涂后立即执行抽真空过程,而弹性体仍然是湿的,则会去除气泡。然后,他们烘烤弹性体以使其干燥。

陈说,消除这些缺陷可使执行器的功率输出增加 300% 以上,并显着延长其使用寿命。

研究人员还优化了由碳纳米管、超强碳卷组成的薄电极,其直径约为人类头发直径的 1/50,000。更高浓度的碳纳米管会增加执行器的功率输出并降低电压,但致密层也包含更多缺陷。

例如,碳纳米管的末端很尖,可以刺穿弹性体,这会导致设备短路,陈解释说。经过多次反复试验,研究人员找到了最佳浓度。

另一个问题来自固化阶段——随着添加更多层,执行器需要越来越长的时间来干燥。

“我第一次让我的学生制作多层致动器时,一旦他达到 12 层,他必须等待两天才能固化。这完全不可持续,尤其是如果你想扩大到更多层,”陈说。

他们发现,在碳纳米管转移到弹性体后立即烘烤每一层几分钟,因为添加了更多层,从而缩短了固化时间。

一流的性能

在使用这种技术创建了 20 层人造肌肉后,他们将其与之前的六层版本和最先进的刚性致动器进行了测试。

在升空实验中,需要不到 500 伏的电压才能运行的 20 层致动器施加了足够的功率,使机器人的升重比达到 3.7:1,因此它可以携带几乎是自身重量三倍的物品.

他们还演示了 20 秒的悬停飞行,陈说这是亚克机器人有史以来最长的记录。他们的悬停机器人比其他任何机器人都更稳定地保持其位置。20 层执行器在驱动超过 200 万次循环后仍能顺利工作,远远超过其他执行器的寿命。

“两年前,我们创造了功率密度最高的执行器,但它几乎无法飞行。我们开始怀疑,软机器人能否与刚性机器人竞争?我们观察到一个又一个缺陷,所以我们继续工作,解决了一个制造问题一个又一个,现在软驱动器的性能正在迎头赶上。它们甚至比最先进的刚性驱动器还要好一点。而且材料科学中还有许多我们不了解的制造过程. 所以,我很高兴能继续降低驱动电压,”他说。

虽然陈对生产 10 微米的致动器层感到兴奋,但他希望将厚度减少到仅 1 微米,这将为这些昆虫大小的机器人的许多应用打开大门。

 
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