Δίνοντας ώθηση σε bots που μοιάζουν με σφάλματα


Οι ερευνητές του MIT πρωτοστάτησαν σε μια νέα τεχνική κατασκευής που τους επιτρέπει να παράγουν μαλακούς ενεργοποιητές χαμηλής τάσης, πυκνότητας ισχύος και υψηλής αντοχής για ένα εναέριο μικρορομπότ. Credits: Ευγενική προσφορά των ερευνητών

Του Adam Zewe | Γραφείο Ειδήσεων MIT

Όταν πρόκειται για ρομπότ, το μεγαλύτερο δεν είναι πάντα καλύτερο. Κάποια μέρα, ένα σμήνος ρομπότ μεγέθους εντόμου μπορεί να επικονιάσει ένα χωράφι με καλλιέργειες ή να αναζητήσει επιζώντες ανάμεσα στα ερείπια ενός κτιρίου που κατέρρευσε.

Οι ερευνητές του MIT έχουν αποδείξει μικροσκοπικά drones που μπορεί να κάνει φερμουάρ με ευελιξία και ανθεκτικότητα που μοιάζει με bug, που θα μπορούσε τελικά να εκτελέσει αυτές τις εργασίες. Οι μαλακοί ενεργοποιητές που ωθούν αυτά τα μικρορομπότ είναι πολύ ανθεκτικοί, αλλά απαιτούν πολύ υψηλότερες τάσεις από τους άκαμπτους ενεργοποιητές παρόμοιου μεγέθους. Τα φτερού ρομπότ δεν μπορούν να φέρουν τα απαραίτητα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος που θα τους επέτρεπε να πετάξουν μόνα τους.

Τώρα, αυτοί οι ερευνητές έχουν πρωτοστατήσει σε μια τεχνική κατασκευής που τους επιτρέπει να κατασκευάζουν μαλακούς ενεργοποιητές που λειτουργούν με 75 τοις εκατό χαμηλότερη τάση από τις τρέχουσες εκδόσεις, ενώ μεταφέρουν 80 τοις εκατό περισσότερο ωφέλιμο φορτίο. Αυτοί οι μαλακοί ενεργοποιητές είναι σαν τεχνητοί μύες που χτυπούν γρήγορα τα φτερά του ρομπότ.

Οι τεχνητοί μύες βελτιώνουν σημαντικά το ωφέλιμο φορτίο του ρομπότ και του επιτρέπουν να επιτυγχάνει την καλύτερη απόδοση αιώρησης στην κατηγορία του. Εικόνα: Kevin Chen

Αυτή η νέα τεχνική κατασκευής παράγει τεχνητούς μύες με λιγότερα ελαττώματα, γεγονός που παρατείνει δραματικά τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων και αυξάνει την απόδοση και το ωφέλιμο φορτίο του ρομπότ.

«Αυτό μας ανοίγει πολλές ευκαιρίες στο μέλλον για τη μετάβαση στην τοποθέτηση ηλεκτρονικών ισχύος στο μικρορομπότ. Οι άνθρωποι τείνουν να πιστεύουν ότι τα μαλακά ρομπότ δεν είναι τόσο ικανά όσο τα άκαμπτα ρομπότ. Αποδεικνύουμε ότι αυτό το ρομπότ, που ζυγίζει λιγότερο από ένα γραμμάριο, πετά για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα με το μικρότερο σφάλμα κατά τη διάρκεια μιας πτήσης που αιωρείται. Το μήνυμα είναι ότι τα μαλακά ρομπότ μπορούν να ξεπεράσουν την απόδοση των άκαμπτων ρομπότ», λέει ο Kevin Chen, ο οποίος είναι επίκουρος καθηγητής D. Reid Weedon, Jr. ’41 στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών, επικεφαλής του Εργαστήριο Soft and Micro Robotics in the Research Laboratory of Electronics (RLE), και ο ανώτερος συγγραφέας της εργασίας.

Μεταξύ των συγγραφέων του Chen περιλαμβάνονται οι Zhijian Ren και Suhan Kim, συν-επικεφαλείς συγγραφείς και μεταπτυχιακοί φοιτητές της EECS. Xiang Ji, ερευνητής στην EECS. Weikun Zhu, πτυχιούχος χημικός μηχανικός. Farnaz Niroui, επίκουρη καθηγήτρια στην EECS. και ο Jing Kong, καθηγητής EECS και κύριος ερευνητής στο RLE. Η έρευνα έγινε δεκτή για δημοσίευση στο Προηγμένα Υλικά και περιλαμβάνεται στο περιοδικό Ανερχόμενα αστέρια σειρά, η οποία αναγνωρίζει εξαιρετικά έργα από ερευνητές πρώιμης σταδιοδρομίας.

Φτιάχνοντας μυς

Το ορθογώνιο μικρορομπότ, το οποίο ζυγίζει λιγότερο από το ένα τέταρτο της δεκάρας, έχει τέσσερα σετ φτερών που το καθένα κινείται από έναν μαλακό ενεργοποιητή. Αυτοί οι ενεργοποιητές που μοιάζουν με μυ είναι κατασκευασμένοι από στρώματα ελαστομερούς που τοποθετούνται ανάμεσα σε δύο πολύ λεπτά ηλεκτρόδια και στη συνέχεια τυλίγονται σε έναν στριμωγμένο κύλινδρο. Όταν εφαρμόζεται τάση στον ενεργοποιητή, τα ηλεκτρόδια συμπιέζουν το ελαστομερές, και αυτή η μηχανική καταπόνηση χρησιμοποιείται για να πτερυγίσει το φτερό.

Το ορθογώνιο μικρορομπότ, το οποίο ζυγίζει λιγότερο από το ένα τέταρτο της δεκάρας, έχει τέσσερα σετ φτερών που το καθένα κινείται από έναν μαλακό ενεργοποιητή. Credits: Ευγενική προσφορά των ερευνητών

Όσο περισσότερη επιφάνεια έχει ο ενεργοποιητής, τόσο λιγότερη τάση απαιτείται. Έτσι, ο Chen και η ομάδα του κατασκευάζουν αυτούς τους τεχνητούς μύες εναλλάσσοντας όσο το δυνατόν περισσότερα εξαιρετικά λεπτά στρώματα ελαστομερούς και ηλεκτροδίου. Καθώς τα στρώματα ελαστομερούς γίνονται πιο λεπτά, γίνονται πιο ασταθή.

Για πρώτη φορά, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν έναν ενεργοποιητή με 20 στρώματα, καθένα από τα οποία έχει πάχος 10 μικρομέτρων (περίπου τη διάμετρο ενός ερυθροκυττάρου). Αλλά έπρεπε να επανεφεύρουν μέρη της διαδικασίας κατασκευής για να φτάσουν εκεί.

Ένα σημαντικό εμπόδιο προήλθε από τη διαδικασία στυψίματος. Κατά τη διάρκεια της επίστρωσης με περιδίνηση, ένα ελαστομερές χύνεται σε μια επίπεδη επιφάνεια και περιστρέφεται γρήγορα, και η φυγόκεντρος δύναμη τραβά το φιλμ προς τα έξω για να το κάνει πιο λεπτό.

«Σε αυτή τη διαδικασία, ο αέρας επανέρχεται στο ελαστομερές και δημιουργεί πολλές μικροσκοπικές φυσαλίδες αέρα. Η διάμετρος αυτών των φυσαλίδων αέρα είναι μόλις 1 μικρόμετρο, οπότε προηγουμένως απλώς τις αγνοούσαμε. Αλλά όταν παίρνετε όλο και πιο λεπτά στρώματα, η επίδραση των φυσαλίδων αέρα γίνεται όλο και πιο δυνατή. Αυτός είναι παραδοσιακά γιατί οι άνθρωποι δεν ήταν σε θέση να κάνουν αυτά τα πολύ λεπτά στρώματα», εξηγεί ο Chen.

Αυτός και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι εάν εκτελέσουν μια διαδικασία σκούπας με ηλεκτρική σκούπα αμέσως μετά την επίστρωση περιστροφής, ενώ το ελαστομερές ήταν ακόμα υγρό, αφαιρεί τις φυσαλίδες αέρα. Στη συνέχεια, ψήνουν το ελαστομερές για να στεγνώσει.

Η αφαίρεση αυτών των ελαττωμάτων αυξάνει την ισχύ εξόδου του ενεργοποιητή κατά περισσότερο από 300 τοις εκατό και βελτιώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του, λέει ο Chen.

Οι ερευνητές βελτιστοποίησαν επίσης τα λεπτά ηλεκτρόδια, τα οποία αποτελούνται από νανοσωλήνες άνθρακα, εξαιρετικά ισχυρά ρολά άνθρακα που έχουν περίπου 1/50.000 τη διάμετρο της ανθρώπινης τρίχας. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις νανοσωλήνων άνθρακα αυξάνουν την ισχύ εξόδου του ενεργοποιητή και μειώνουν την τάση, αλλά τα πυκνά στρώματα περιέχουν επίσης περισσότερα ελαττώματα.

Για παράδειγμα, οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν αιχμηρά άκρα και μπορούν να τρυπήσουν το ελαστομερές, γεγονός που προκαλεί βραχυκύκλωμα της συσκευής, εξηγεί ο Chen. Μετά από πολλές δοκιμές και λάθη, οι ερευνητές βρήκαν τη βέλτιστη συγκέντρωση.

Ένα άλλο πρόβλημα προέρχεται από το στάδιο σκλήρυνσης — καθώς προστίθενται περισσότερες στρώσεις, ο ενεργοποιητής διαρκεί όλο και περισσότερο χρόνο για να στεγνώσει.

«Την πρώτη φορά που ζήτησα από τον μαθητή μου να φτιάξει έναν ενεργοποιητή πολλαπλών στρώσεων, όταν έφτασε στα 12 στρώματα, έπρεπε να περιμένει δύο ημέρες για να σκληρύνει. Αυτό δεν είναι απολύτως βιώσιμο, ειδικά αν θέλετε να αυξήσετε την κλίμακα σε περισσότερα επίπεδα», λέει ο Chen.

Βρήκαν ότι το ψήσιμο κάθε στρώσης για λίγα λεπτά αμέσως μετά τη μεταφορά των νανοσωλήνων άνθρακα στο ελαστομερές μειώνει τον χρόνο σκλήρυνσης καθώς προστίθενται περισσότερες στρώσεις.

Η καλύτερη απόδοση στην κατηγορία

Αφού χρησιμοποίησαν αυτή την τεχνική για να δημιουργήσουν έναν τεχνητό μυ 20 στρωμάτων, τον δοκίμασαν με την προηγούμενη έκδοση έξι στρωμάτων και τους υπερσύγχρονους, άκαμπτους ενεργοποιητές.

Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ανύψωσης, ο ενεργοποιητής 20 στρωμάτων, ο οποίος απαιτεί λιγότερα από 500 βολτ για να λειτουργήσει, άσκησε αρκετή ισχύ για να δώσει στο ρομπότ αναλογία ανύψωσης προς βάρος 3,7 προς 1, ώστε να μπορεί να μεταφέρει αντικείμενα που είναι σχεδόν τρεις φορές το βάρος του. .

«Δείχνουμε ότι αυτό το ρομπότ, που ζυγίζει λιγότερο από ένα γραμμάριο, πετά για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα με το μικρότερο σφάλμα κατά τη διάρκεια μιας πτήσης που αιωρείται», λέει ο Kevin Chen. Credits: Ευγενική προσφορά των ερευνητών

Έδειξαν επίσης μια πτήση αιωρούμενης διάρκειας 20 δευτερολέπτων, η οποία, σύμφωνα με τον Chen, είναι η μεγαλύτερη που έχει καταγραφεί ποτέ από ρομπότ κάτω του γραμμαρίου. Το ρομπότ τους που αιωρείται κράτησε τη θέση του πιο σταθερά από οποιοδήποτε από τα άλλα. Ο ενεργοποιητής 20 στρωμάτων εξακολουθούσε να λειτουργεί ομαλά αφού οδηγήθηκε για περισσότερους από 2 εκατομμύρια κύκλους, ξεπερνώντας κατά πολύ τη διάρκεια ζωής άλλων ενεργοποιητών.

«Πριν από δύο χρόνια, δημιουργήσαμε τον ενεργοποιητή με τη μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος και μετά βίας μπορούσε να πετάξει. Αρχίσαμε να αναρωτιόμαστε, μπορούν ποτέ τα μαλακά ρομπότ να ανταγωνιστούν τα άκαμπτα ρομπότ; Παρατηρήσαμε το ένα ελάττωμα μετά το άλλο, έτσι συνεχίσαμε να εργαζόμαστε και λύναμε το ένα πρόβλημα κατασκευής μετά το άλλο, και τώρα η απόδοση του μαλακού ενεργοποιητή πλησιάζει. Είναι ακόμη και λίγο καλύτερα από τα τελευταίας τεχνολογίας άκαμπτα. Και υπάρχουν ακόμα αρκετές διαδικασίες κατασκευής στην επιστήμη των υλικών που δεν καταλαβαίνουμε. Έτσι, είμαι πολύ ενθουσιασμένος που συνεχίζω να μειώνω την τάση ενεργοποίησης», λέει.

Ο Chen ανυπομονεί να συνεργαστεί με τον Niroui για την κατασκευή ενεργοποιητών σε ένα καθαρό δωμάτιο στο MIT.nano και να αξιοποιήσει τις τεχνικές νανοκατασκευής. Τώρα, η ομάδα του περιορίζεται στο πόσο λεπτά μπορούν να κάνουν τα στρώματα λόγω της σκόνης στον αέρα και της μέγιστης ταχύτητας επίστρωσης στυψίματος. Η εργασία σε ένα καθαρό δωμάτιο εξαλείφει αυτό το πρόβλημα και θα τους επέτρεπε να χρησιμοποιήσουν μεθόδους, όπως η λεπίδα γιατρών, που είναι πιο ακριβείς από την επίστρωση περιστροφής.

Ενώ ο Chen είναι ενθουσιασμένος για την παραγωγή στρώσεων ενεργοποιητή 10 μικρομέτρων, η ελπίδα του είναι να μειώσει το πάχος σε μόλις 1 μικρόμετρο, κάτι που θα άνοιγε την πόρτα σε πολλές εφαρμογές για αυτά τα ρομπότ μεγέθους εντόμου.

Αυτή η εργασία υποστηρίζεται, εν μέρει, από το Ερευνητικό Εργαστήριο Ηλεκτρονικής του MIT και μια υποτροφία πτυχιούχων Mathworks.

ετικέτες:


Ειδήσεις MIT



Source link

By koutsobolis

koutsobolis.com

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.