Szacuje się, że pszczoła zbierająca nektar uderza w kwiat średnio raz na sekundę, co powoduje uszkodzenia jej skrzydeł. Jednak pomimo wielu drobnych rozdarć czy dziur w skrzydłach, biedronki wciąż potrafią latać. Roboty lotnicze nie są tak odporne. Jeśli dojdzie do uszkodzenia silników skrzydeł robota lub ucięta zostanie część jego śmigła, szanse na to, że pozostanie w powietrzu są niewielkie.
Zainspirowani wytrzymałością biedronek, badacze z MIT opracowali techniki naprawy, które umożliwiają robotom lotniczym o rozmiarze owadów utrzymanie zdolności do lotu po doznaniu poważnych uszkodzeń aktuatorów lub sztucznych mięśni, które napędzają ich skrzydła.
Optymalizowali te sztuczne mięśnie tak, aby robot mógł lepiej wykrywać defekty i pokonywać drobne uszkodzenia, takie jak drobne dziury w aktuatorze. Ponadto, zaprezentowali nową metodę naprawy laserowej, która pomaga robotowi wyzdrowieć po poważnym uszkodzeniu, takim jak pożar, który oparzył urządzenie.
Dzięki zastosowaniu tych technik, uszkodzony robot może utrzymać wydajność lotu po tym, jak jeden z jego sztucznych mięśni został przekłuty 10 igłami, a aktuator nadal był zdolny do pracy po tym, jak w nim powstało duże otwarcie. Metody naprawy umożliwiły robotowi kontynuowanie lotu nawet po odcięciu 20% jego końcówki skrzydła przez badaczy.
To mogłoby sprawić, że roje małych robotów będą lepiej wykonywać zadania w trudnych warunkach, takie jak przeprowadzanie misji poszukiwawczej w rozpadającym się budynku lub gęstym lesie.
„Spędziliśmy wiele czasu na zrozumieniu dynamiki miękkich, sztucznych mięśni i dzięki nowej metodzie wytwarzania oraz nowemu rozumieniu możemy pokazać poziom odporności na uszkodzenia porównywalny do owadów” – mówi Kevin Chen, D. Reid Weedon, Jr. Profesor Asystent w Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Informatyki (EECS), kierownik Laboratorium Robotyki Miękkiej i Mikroskalowej w Laboratorium Badań Elektroniki (RLE) i główny autor artykułu na temat tych najnowszych postępów. „Jesteśmy bardzo podekscytowani tym. Ale owady nadal są lepsze od nas w tym sensie, że mogą stracić nawet do 40% skrzydła i wciąż latać. Mamy jeszcze trochę do nadrobienia”.
Chen napisał artykuł wraz z głównymi autorami Suhanem Kimem i Yi-Hsuanem Hsiao, którzy są doktorantami EECS, Younghoonem Lee, doktorantem poszczególnym, Weikunem „Spencerem” Zhu, doktorantem w Wydziale Inżynierii Chemicznej, Zhijianem Renem, doktorantem EECS, i Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Profesorem EECS w MIT i członkiem RLE. Artykuł ukazał się dzisiaj w Science Robotics.
Techniki naprawcze robotów
Małe, prostokątne roboty, które są rozwijane w laboratorium Chena, mają podobny rozmiar i kształt jak mikrokaseta, choć jeden robot waży nie więcej niż spinacz do papieru. Skrzydła na każdym rogu są napędzane aktuatorami z dielektrycznego elastomeru (DEA), czyli mięśniami sztucznymi, które za pomocą sił mechanicznych wprawiają skrzydła w szybkie ruchy. Sztuczne mięśnie te są wykonane z warstw elastomeru, które są umieszczone między dwoma bardzo cienkimi elektrodami i zrolowane w miękką rurkę. Gdy napięcie jest podawane do DEA, elektrody ściskają elastomer, co powoduje ruch skrzydła.
Jednak mikroskopijne niedoskonałości mogą powodować iskry, które spalają elastomer i powodują awarię urządzenia. Około 15 lat temu badacze odkryli, że można zapobiec awariom DEA spowodowanym przez niewielki defekt za pomocą zjawiska fizycznego znanego jako samoczyszczące się. W tym procesie zastosowanie wysokiego napięcia do DEA odłącza lokalną elektrodę wokół małego defektu, izolując ten defekt od reszty elektrody, dzięki czemu sztuczny mięsień nadal działa.
Chen i jego współpracownicy wykorzystali ten proces samoczyszczący w swoich technikach naprawczych robotów.
Najpierw zoptymalizowali stężenie węglowych nanorurek stanowiących elektrody w DEA. Nanorurki węglowe są supermocnymi, ale bardzo małymi rolkami z węgla. Mniejsza ilość nanorurek w elektrodzie poprawia samoczyszczenie, ponieważ dochodzi wówczas do wyższych temperatur i łatwiej jest je spalić. Jednakże zmniejsza to także gęstość mocy aktuatora.
„W pewnym momencie nie będziesz w stanie uzyskać wystarczająco dużo energii z systemu, ale potrzebujemy dużej ilości energii i mocy, aby latać robotem. Musieliśmy znaleźć optymalny punkt między tymi dwoma ograniczeniami – zoptymalizować własność samoczyszczącą w granicach, w których wciąż chcemy, aby robot latał” – mówi Chen.
Jednak nawet zoptymalizowane DEA ulegną awarii, jeśli doznaą poważnych uszkodzeń, takich jak duże otwarcie, które wpuszcza zbyt dużo powietrza do urządzenia.
Chen i jego zespół użyli lasera, aby poradzić sobie z większymi defektami. Ostrożnie przecięli obrys dużej wady lasera, co spowodowało niewielkie uszkodzenia wokół obwodu. Następnie mogli użyć samoczyszczenia, aby spalić nieco uszkodzoną elektrodę, izolując większą wadę.
„W pewien sposób próbujemy operować na mięśniach. Ale jeśli nie użyjemy wystarczająco dużo mocy, to nie będziemy w stanie wyrządzić wystarczająco dużo szkód, aby izolować duże uszkodzenie. Więc to jest gra równowagi” – wyjaśnia Chen.
Badacze przeprowadzili wiele testów, aby zbadać wytrzymałość naprawionych robotów. Odkryli, że po przekłuciu 10 igłami DEA i odcięciu 20% jednej z końcówek skrzydła robot nadal mógł utrzymać wydajność lotu. Przy defektach o mniejszym stopniu uszkodzenia robot mógł kontynuować lot bez większych utrudnień.
Przyszłe zastosowania
Te techniki naprawy mogą mieć wiele zastosowań w dziedzinie robotyki. Odporni roboty lotniczy o rozmiarze owadów mogą być wykorzystywani w różnych misjach, takich jak przeszukiwanie terenów trudno dostępnych lub udzielanie pomocy w trudnych warunkach.
Na przykład, roje robotów o rozmiarze owadów wyposażone w te techniki naprawy mogłyby działać w miejscach, w których inne roboty byłyby podatne na uszkodzenia, takie jak rozpadający się budynek lub gęsty las. Mogłyby być wykorzystywane do poszukiwania ocalałych, monitorowania środowiska lub dostarczania niezbędnych materiałów w trudno dostępne miejsca.
„Jeśli teren jest nieprzyjazny dla robotów, wtedy cała misja może być zagrożona z powodu awarii jednego robota. Ale jeśli masz rojową architekturę, nawet jeśli jedna trzecia lub połowa robotów ulegnie awarii, cała misja może nadal się powieść” – mówi Chen.
Techniki naprawy opracowane przez badaczy z MIT otwierają nowe perspektywy dla rozwoju odpornych i wydajnych robotów lotniczych. Inspirowane wytrzymałością biedronek, te innowacyjne rozwiązania mogą przyczynić się do rozwoju bardziej niezawodnych i trwałych robotów, które będą w stanie wykonywać różnorodne zadania w trudnych warunkach.
