Yazılar

Böcek Gibi Botlara Destek Vermek: Yeni Yapay Kaslar, Uçan Mikrorobotların Performansını Artırıyor

Yeni bir üretim tekniği, uçan mikro robotların performansını artıran düşük voltajlı, güç yoğun yapay kaslar üretir.

Robotlar söz konusu olduğunda, daha büyük her zaman daha iyi değildir. Bir gün, bir böcek büyüklüğünde robot sürüsü, bir ekin tarlasını tozlaştırabilir veya çöken bir binanın enkazı arasında hayatta kalanları arayabilir.

MIT araştırmacıları, sonunda bu görevleri yerine getirebilecek, böcek benzeri çeviklik ve esneklikle dolaşabilen küçücük dronlar gösterdiler. Bu mikro robotları hareket ettiren yumuşak aktüatörler çok dayanıklıdır, ancak benzer boyuttaki katı aktüatörlerden çok daha yüksek voltaj gerektirirler. Tüy kadar hafif robotlar, kendi başlarına uçmalarını sağlayacak gerekli güç elektroniğini taşıyamaz.

Şimdi, bu araştırmacılar, mevcut versiyonlardan yüzde 75 daha düşük voltajla çalışan ve yüzde 80 daha fazla yük taşıyan yumuşak aktüatörler üretmelerini sağlayan bir üretim tekniğine öncülük ettiler. Bu yumuşak aktüatörler, robotun kanatlarını hızla çırpan yapay kaslar gibidir.

Bu yeni üretim tekniği, bileşenlerin ömrünü önemli ölçüde uzatan ve robotun performansını ve yükünü artıran daha az kusurlu yapay kaslar üretir.

“Bu, gelecekte mikro robotlara güç elektroniği yerleştirmeye geçmemiz için bize birçok fırsat sunuyor. İnsanlar, yumuşak robotların katı robotlar kadar yetenekli olmadığını düşünme eğilimindedir. Bir gramdan daha hafif olan bu robotun havada asılı bir uçuş sırasında en küçük hatayla en uzun süre uçtuğunu gösteriyoruz. Eve götürülecek mesaj, yumuşak robotların katı robotların performansını aşabileceğidir” diyor D. Reid Weedon, Jr. ’41 Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü’nde yardımcı doçent olan Kevin Chen, Elektronik Araştırma Laboratuvarı’nda (RLE) Yumuşak ve Mikro Robotik Laboratuvarı ve makalenin kıdemli yazarı.

Chen’in ortak yazarları arasında, ortak yazarlar ve EECS lisansüstü öğrencileri olan Zhijian Ren ve Suhan Kim; EECS’de bir araştırma bilimcisi olan Xiang Ji; Weikun Zhu, kimya mühendisliği yüksek lisans öğrencisi; EECS’de yardımcı doçent olan Farnaz Niroui; ve EECS’de profesör ve RLE’de baş araştırmacı olan Jing Kong. Araştırma, Advanced Materials’da yayınlanmak üzere kabul edildi ve derginin erken kariyer araştırmacılarının seçkin çalışmalarını takdir eden Yükselen Yıldızlar serisine dahil edildi.

kas yapmak
Bir kuruşun dörtte birinden daha hafif olan dikdörtgen mikro robot, her biri yumuşak bir aktüatör tarafından çalıştırılan dört kanat takımına sahiptir. Bu kas benzeri aktüatörler, iki çok ince elektrot arasına sıkıştırılmış ve daha sonra yumuşak bir silindire yuvarlanan elastomer katmanlarından yapılmıştır. Aktüatöre voltaj uygulandığında, elektrotlar elastomeri sıkıştırır ve bu mekanik gerilim, kanadı çırpmak için kullanılır.

Aktüatörün yüzey alanı ne kadar fazlaysa, o kadar az voltaj gerekir. Chen ve ekibi, mümkün olduğu kadar çok ultra ince elastomer ve elektrot katmanları arasında geçiş yaparak bu yapay kasları inşa ediyor. Elastomer tabakalar inceldikçe daha kararsız hale gelirler.

Araştırmacılar ilk kez, her biri 10 mikrometre kalınlığında (yaklaşık bir kırmızı kan hücresinin çapı) 20 katmana sahip bir aktüatör oluşturabildiler. Ama oraya ulaşmak için üretim sürecinin parçalarını yeniden icat etmek zorunda kaldılar.

Döndürerek kaplama işleminden büyük bir engel geldi. Döndürerek kaplama sırasında, düz bir yüzeye bir elastomer dökülür ve hızla döndürülür ve merkezkaç kuvveti filmi daha ince hale getirmek için dışarı doğru çeker.

“Bu süreçte hava elastomerin içine geri döner ve çok sayıda mikroskobik hava kabarcığı oluşturur. Bu hava kabarcıklarının çapı ancak 1 mikrometredir, bu yüzden daha önce onları görmezden geliyorduk. Ancak katmanlar inceldikçe inceldikçe hava kabarcıklarının etkisi daha da güçlenir. Chen, “Geleneksel olarak insanların bu çok ince katmanları yapamamasının nedeni budur” diye açıklıyor.

O ve işbirlikçileri, elastomer hala ıslakken, döndürmeli kaplamadan hemen sonra bir vakumlama işlemi gerçekleştirirlerse, bunun hava kabarcıklarını çıkardığını buldular. Ardından, elastomeri kurutmak için pişirirler.

Chen, bu kusurların ortadan kaldırılmasının aktüatörün güç çıkışını yüzde 300’den fazla artırdığını ve ömrünü önemli ölçüde iyileştirdiğini söylüyor.

Araştırmacılar ayrıca karbon nanotüplerden, insan saçının yaklaşık 1/50.000’i kadar olan süper güçlü karbon rulolarından oluşan ince elektrotları da optimize ettiler. Daha yüksek karbon nanotüp konsantrasyonları, aktüatörün güç çıkışını arttırır ve voltajı azaltır, ancak yoğun katmanlar ayrıca daha fazla kusur içerir.

Chen, örneğin karbon nanotüplerin keskin uçlara sahip olduğunu ve elastomeri delip cihazın kısa devre yapmasına neden olabileceğini açıklıyor. Pek çok deneme ve yanılma sonrasında araştırmacılar en uygun konsantrasyonu buldular.

Diğer bir sorun ise kürleme aşamasından kaynaklanmaktadır – daha fazla katman eklendikçe aktüatörün kuruması daha uzun sürer.

“Öğrencimden ilk kez çok katmanlı bir aktüatör yapmasını istediğimde, 12 katmana ulaştığında sertleşmesi için iki gün beklemek zorunda kaldı. Chen, özellikle daha fazla katmana ölçeklendirmek istiyorsanız, bu tamamen sürdürülebilir değil, ”diyor Chen.

Karbon nanotüpler elastomere aktarıldıktan hemen sonra her katmanı birkaç dakika pişirmenin, daha fazla katman eklendikçe kürleme süresini kısalttığını buldular.

Sınıfının en iyisi performans
20 katmanlı yapay bir kas oluşturmak için bu tekniği kullandıktan sonra, önceki altı katmanlı versiyonları ve son teknoloji, sert aktüatörlerle test ettiler.

Kalkış deneyleri sırasında, çalışması için 500 volttan daha azına ihtiyaç duyan 20-katmanlı aktüatör, robota 3,7’ye 1 kaldırma-ağırlık oranı vermek için yeterli güç uyguladı, böylece ağırlığının neredeyse üç katı olan nesneleri taşıyabilirdi. .

Ayrıca Chen’in söylediğine göre bir alt gram robot tarafından kaydedilen en uzun 20 saniyelik havada asılı uçuş gösterdiler. Uçan robotları, konumunu diğerlerinden daha stabil tuttu. 20 katmanlı aktüatör, diğer aktüatörlerin kullanım ömrünü çok geride bırakarak 2 milyondan fazla döngüden sonra çalıştırıldıktan sonra hala sorunsuz çalışıyordu.

“İki yıl önce, gücü en yoğun aktüatörü yarattık ve zar zor uçabiliyordu. Merak etmeye başladık, yumuşak robotlar katı robotlarla rekabet edebilir mi? Birbiri ardına kusurları gözlemledik, bu yüzden çalışmaya devam ettik ve birbiri ardına fabrikasyon problemlerini çözdük ve şimdi yumuşak aktüatörün performansı yetişiyor. Hatta son teknoloji katı olanlardan biraz daha iyidirler. Ve hala malzeme biliminde anlamadığımız bir takım fabrikasyon süreçleri var. Bu nedenle, çalıştırma voltajını düşürmeye devam edeceğim için çok heyecanlıyım ”diyor.

Chen, MIT.nano’da temiz bir odada aktüatörler oluşturmak ve nanofabrikasyon tekniklerinden yararlanmak için Niroui ile işbirliği yapmayı dört gözle bekliyor. Şimdi ekibi, havadaki toz ve maksimum dönüşlü kaplama hızı nedeniyle katmanları ne kadar ince yapabilecekleriyle sınırlı. Temiz bir odada çalışmak bu sorunu ortadan kaldırır ve doktor bıçağı gibi spin kaplamadan daha hassas yöntemleri kullanmalarına izin verir.

Chen, 10 mikrometrelik aktüatör katmanları üretmekten heyecan duysa da, umudu, kalınlığı sadece 1 mikrometreye düşürmek ve bu da böcek boyutundaki robotlar için birçok uygulamaya kapı açacak.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Başa dön tuşu