新的修復(fù)技術(shù)使微型機(jī)器人在為其機(jī)翼提供動(dòng)力的人造肌肉遭受嚴(yán)重?fù)p壞后能夠恢復(fù)飛行性能。

大黃蜂是笨拙的飛行者。據(jù)估計(jì)，一只覓食的蜜蜂大約每秒撞一次花，隨著時(shí)間的推移，這會(huì)損壞它的翅膀。然而，盡管它們的翅膀上有許多微小的裂口或孔洞，大黃蜂仍然可以飛翔。

另一方面，空中機(jī)器人的彈性不強(qiáng)。在機(jī)器人的機(jī)翼馬達(dá)上戳個(gè)洞，或者砍掉它的一部分螺旋槳，它被停飛的可能性很大。

受大黃蜂堅(jiān)韌不拔的啟發(fā)，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了修復(fù)技術(shù)，使昆蟲大小的空中機(jī)器人能夠承受為其翅膀提供動(dòng)力的執(zhí)行器或人造肌肉的嚴(yán)重?fù)p壞，但仍能有效飛行。

他們優(yōu)化了這些人造肌肉，使機(jī)器人能夠更好地隔離缺陷并克服微小的損壞，例如致動(dòng)器上的小孔。此外，他們還展示了一種新穎的激光修復(fù)方法，可以幫助機(jī)器人從嚴(yán)重?fù)p壞中恢復(fù)，例如燒焦設(shè)備的火災(zāi)。

使用他們的技術(shù)，一個(gè)受損的機(jī)器人在其人造肌肉之一被 10 針刺傷后可以保持飛行水平的性能，并且執(zhí)行器在其上燒出一個(gè)大洞后仍然能夠運(yùn)行。他們的修復(fù)方法使機(jī)器人即使在研究人員切斷其 20% 的翼尖后仍能繼續(xù)飛行。

這可以使成群的微型機(jī)器人能夠更好地在惡劣環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，例如在倒塌的建筑物或茂密的森林中執(zhí)行搜索任務(wù)。

“我們花了很多時(shí)間來了解柔軟的人造肌肉的動(dòng)力學(xué)，并且通過新的制造方法和新的理解，我們可以展示出與昆蟲相當(dāng)?shù)膿p傷恢復(fù)能力，”D 的 Kevin Chen 說。 . Reid Weedon, Jr. 電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 (EECS) 助理教授，電子研究實(shí)驗(yàn)室 (RLE) 軟微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，這些論文的作者進(jìn)步。“我們對(duì)此感到非常興奮。但昆蟲仍然比我們優(yōu)越，因?yàn)樗鼈兛梢允ジ哌_(dá) 40% 的翅膀，但仍能飛行。我們還有一些追趕工作要做?！?/span>

Chen 與 EECS 研究生的共同主要作者 Suhan Kim 和 Yi-Hsuan Hsiao 共同撰寫了這篇論文；Younghoon Lee，博士后；Weikun “Spencer” Zhu，化學(xué)工程系研究生；任志堅(jiān)，EECS研究生；Farnaz Niroui，麻省理工學(xué)院 EECS 的 EE Landsman 職業(yè)發(fā)展助理教授和 RLE 的成員。這篇文章今天發(fā)表在Science Robotics上。

機(jī)器人維修技術(shù)

Chen 實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)的微型矩形機(jī)器人的大小和形狀與微盒式磁帶大致相同，但其中一個(gè)機(jī)器人的重量?jī)H比回形針重一點(diǎn)。每個(gè)角上的翅膀由介電彈性體致動(dòng)器 (DEA) 提供動(dòng)力，這是一種柔軟的人造肌肉，利用機(jī)械力快速拍打翅膀。這些人造肌肉由夾在兩個(gè)極薄電極之間的多層彈性體制成，然后卷成柔軟的管子。當(dāng)向 DEA 施加電壓時(shí)，電極會(huì)擠壓彈性體，從而拍打機(jī)翼。

但是微觀缺陷會(huì)產(chǎn)生火花，從而性體并導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。大約 15 年前，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以使用一種稱為自清除的物理現(xiàn)象來防止 DEA 因一個(gè)微小缺陷而失敗。在此過程中，向 DEA 施加高壓會(huì)斷開小缺陷周圍的局部電極，將故障與電極的其余部分隔離開來，這樣人造肌肉仍然可以工作。

Chen 和他的合作者在他們的機(jī)器人維修技術(shù)中采用了這種自我清理過程。

首先，他們優(yōu)化了 DEA 中構(gòu)成電極的碳納米管的濃度。碳納米管是超強(qiáng)但極其微小的碳卷。電極中碳納米管越少，自清除效果越好，因?yàn)樗鼤?huì)達(dá)到更高的溫度并且更容易燒掉。但這也降低了執(zhí)行器的功率密度。

“在某個(gè)時(shí)刻，你將無法從系統(tǒng)中獲得足夠的能量，但我們需要大量的能量和動(dòng)力來駕駛機(jī)器人。我們必須找到這兩個(gè)約束之間的點(diǎn)——在我們?nèi)匀幌Ｍ麢C(jī)器人飛行的約束下優(yōu)化自清除特性，”Chen 說。

然而，即使是經(jīng)過優(yōu)化的 DEA，如果遭受嚴(yán)重?fù)p壞（例如讓過多空氣進(jìn)入設(shè)備的大孔），也會(huì)失效。

陳和他的團(tuán)隊(duì)使用激光來克服重大缺陷。他們用激光沿著大缺陷的外輪廓小心地切割，這會(huì)在周邊造成輕微損壞。然后，他們可以使用自清潔來燒掉輕微損壞的電極，隔離較大的缺陷。

“在某種程度上，我們正在嘗試對(duì)肌肉進(jìn)行手術(shù)。但如果我們沒有使用足夠的功率，那么我們就無法造成足夠的破壞來隔離缺陷。另一方面，如果我們使用過多的功率，激光會(huì)對(duì)致動(dòng)器造成無法清除的嚴(yán)重?fù)p壞，”Chen 說。

該團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到，在這種微型設(shè)備上“操作”時(shí)，很難通過觀察電極來判斷它們是否已成功隔離缺陷。借鑒以前的工作，他們將電致發(fā)光粒子結(jié)合到致動(dòng)器中。現(xiàn)在，如果他們看到有光亮，他們就知道執(zhí)行器的一部分正在運(yùn)行，但黑色斑點(diǎn)意味著他們成功地隔離了這些區(qū)域。

試飛成功

一旦他們完善了他們的技術(shù)，研究人員就對(duì)損壞的執(zhí)行器進(jìn)行了測(cè)試——一些執(zhí)行器被許多針刺傷，而另一些則被燒毀了。他們測(cè)量了機(jī)器人在撲翼、起飛和懸停實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)。

即使 DEA 損壞，修復(fù)技術(shù)也能使機(jī)器人保持其飛行性能，高度、位置和姿態(tài)誤差與未損壞機(jī)器人的偏差僅很小。通過激光手術(shù)，原本無法修復(fù)的 DEA 能夠恢復(fù)其 87% 的性能。

“我必須把它交給我的兩個(gè)學(xué)生，他們?cè)隈{駛機(jī)器人時(shí)付出了很多努力。獨(dú)自駕駛機(jī)器人非常困難，更不用說現(xiàn)在我們故意損壞它了，”陳說。

這些修復(fù)技術(shù)使微型機(jī)器人更加堅(jiān)固，因此 Chen 和他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正致力于教它們新的功能，比如降落在花朵上或成群飛行。他們還在開發(fā)新的控制算法，使機(jī)器人可以更好地飛行，教機(jī)器人控制偏航角以保持恒定的航向，并使機(jī)器人能夠攜帶微型電路，其長(zhǎng)期目標(biāo)是攜帶自己的能量源。

“這項(xiàng)工作很重要，因?yàn)樾⌒惋w行機(jī)器人——還有飛行昆蟲！- 不斷與他們的環(huán)境發(fā)生碰撞。小陣風(fēng)對(duì)小昆蟲和機(jī)器人來說可能是個(gè)大問題。因此，如果我們希望能夠在自然環(huán)境中使用這樣的機(jī)器人，我們就需要提高它們的適應(yīng)力的方法，”加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械與航空航天工程系副教授 Nick Gravish 說，誰沒有參與這項(xiàng)研究。“這篇論文展示了軟驅(qū)動(dòng)和身體力學(xué)如何適應(yīng)損壞，我認(rèn)為這是向前邁出的令人印象深刻的一步?！?/span>

這項(xiàng)工作部分由美國(guó)科學(xué)基金會(huì) (NSF) 和 MathWorks 獎(jiǎng)學(xué)金資助。