Una nuova tecnica migliora le prestazioni dei microbot volanti
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato una nuova tecnica di fabbricazione che consente la produzione di attuatori morbidi a bassa tensione, ad alta densità di potenza e ad alta resistenza per microrobot aerei. I muscoli artificiali migliorano il carico utile del robot e gli consentono di ottenere le migliori prestazioni in volo stazionario.
Muscoli artificiali con meno difetti
Gli attuatori morbidi funzionano con una tensione del 75% inferiore rispetto alle versioni attuali e trasportano l’80% in più di carico utile. I muscoli artificiali prodotti dalla tecnica di fabbricazione hanno anche meno difetti, il che prolunga la durata dei componenti.
Kevin Chen è il professore assistente di D. Reid Weedon, Jr. ’41 presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica. È anche il capo del Laboratorio di Robotica Soft e Micro nel Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE) e autore senior della ricerca.
“Questo ci apre molte opportunità in futuro per passare all’installazione dell’elettronica di potenza sul microrobot. Le persone tendono a pensare che i robot morbidi non siano capaci quanto i robot rigidi. Dimostriamo che questo robot, che pesa meno di un grammo, vola per il tempo più lungo con il minimo errore durante un volo in bilico. Il messaggio da portare a casa è che i robot morbidi possono superare le prestazioni dei robot rigidi”, afferma Chen.
La ricerca è stata pubblicata su Advanced Materials .
Il robot rettangolare pesa meno di un quarto di centesimo e ha quattro serie di ali, ciascuna azionata da un attuatore morbido. Gli attuatori muscolari sono costituiti da strati di elastomero che si trovano tra due elettrodi sottili. Quando viene applicata tensione all’attuatore, gli elettrodi schiacciano l’elastomero, provocando una sollecitazione meccanica che fa sbattere l’ala.
Il team è stato in grado di creare un attuatore con 20 strati, ciascuno dei quali misura 10 micrometri di spessore.
Processo di rivestimento in rotazione
Uno dei principali ostacoli affrontati dal team è stato il processo di rivestimento a rotazione, che prevede il versamento di un elastomero su una superficie piana e la rapida rotazione. La forza centrifuga fa sì che il film venga tirato verso l’esterno per diventare più sottile.
“In questo processo, l’aria ritorna nell’elastomero e crea molte microscopiche bolle d’aria. Il diametro di queste bolle d’aria è di appena 1 micrometro, quindi in precedenza le ignoravamo. Ma quando si ottengono strati sempre più sottili, l’effetto delle bolle d’aria diventa sempre più forte. Questo è tradizionalmente il motivo per cui le persone non sono state in grado di realizzare questi strati molto sottili”, spiega Chen.
Eseguendo un processo di aspirazione subito dopo la verniciatura a centrifuga, le bolle d’aria vengono rimosse e l’elastomero può essere cotto per asciugare.
Rimuovendo questi difetti, la potenza dell’attuatore aumenta di oltre il 300% e la sua durata è notevolmente migliorata.
I ricercatori hanno utilizzato queste tecniche per creare il muscolo artificiale a 20 strati, che è stato poi testato contro la loro precedente versione a strati sx e attuatori rigidi all’avanguardia.
L’attuatore a 20 strati, che richiedeva meno di 500 volt per funzionare, esercitava una potenza sufficiente per dare al robot un rapporto sollevamento-peso di 3,7 a 1, il che significa che poteva trasportare oggetti circa tre volte il suo peso.
Il team ha anche effettuato con successo un volo in bilico di 20 secondi, che secondo Chen è il più lungo mai registrato da un robot subgrammo.
“Due anni fa, abbiamo creato l’attuatore più denso di potenza e riusciva a malapena a volare. Abbiamo iniziato a chiederci, i robot morbidi possono mai competere con i robot rigidi? Abbiamo osservato un difetto dopo l’altro, quindi abbiamo continuato a lavorare e abbiamo risolto un problema di fabbricazione dopo l’altro, e ora le prestazioni dell’attuatore morbido stanno recuperando terreno. Sono anche un po’ migliori di quelli rigidi all’avanguardia. E ci sono ancora un certo numero di processi di fabbricazione nella scienza dei materiali che non comprendiamo. Quindi, sono molto entusiasta di continuare a ridurre la tensione di attuazione”, afferma.
Il team sta ora cercando metodi più precisi dello spin coating per rendere gli strati più sottili. Chen spera che lo spessore possa essere ridotto a solo 1 micrometro.
