یک تکنیک ساخت جدید، ماهیچه های مصنوعی با ولتاژ پایین و متراکم تولید می کند که عملکرد میکرو ربات های پرنده را بهبود می بخشد.
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد به نقل از MITNEWS وقتی صحبت ازمیکرو ربات ها می شود، بزرگتر بودن ابعاد همیشه به معنای بهتر بودن نیست. روزی خواهد رسید که ، انبوهی از ربات‌هایی به کوچکی حشرات ممکن است یک مزرعه از محصولات را گرده افشانی کنند. یا در میان آوارهای یک ساختمان فروریخته به دنبال بازماندگان بگردند.
محققان MIT پهپادهای کوچکی راساخته اندکه می‌توانند با چابکی و انعطاف‌پذیری حشره مانند فشرده شوند. محرک‌های نرمی که این میکروربات‌ها را به حرکت در می‌آورند بسیار بادوام هستند. اما به ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به محرک‌های صلب با اندازه مشابه نیاز دارند. ربات‌های با وزن بالا نمی‌توانند وسایل الکترونیکی لازم را که به آنها اجازه می‌دهد به تنهایی پرواز کنند، حمل کنند.
در حال حاضر، این محققان تکنیک ساختی را پیشگام کرده‌اند که آنها را قادر می‌سازد محرک‌های نرمی بسازند که با ولتاژ ۷۵ درصد کمتر از نسخه‌های فعلی کار می‌کنند و ۸۰ درصد بار بیشتری را حمل می‌کنند. این محرک های نرم مانند ماهیچه های مصنوعی هستند که به سرعت بال های ربات را تکان می دهند.
این تکنیک ساخت جدید،ماهیچه های مصنوعی را با نقص کمتر تولید می کند که به طور چشمگیری طول عمر قطعات را افزایش می دهد و عملکرد و بار ربات را افزایش می دهد.
کوین چن، استادیار دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر، آزمایشگاه رباتیک نرم و میکرو در آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک (RLE)، و نویسنده ارشد مقاله می گوید :
“این ساخت ، فرصت های زیادی را در آینده برای ما باز می کند تا به استفاده از وسایل الکترونیکی قدرت روی میکروربات ها روی بیاوریم. مردم تمایل دارند فکر کنند که ربات های نرم به اندازه ربات های سفت و سخت توانایی ندارند. ما نشان می‌دهیم که این ربات با وزن کمتر از یک گرم، در طول پرواز معلق در هوا با کمترین خطا در طولانی‌ترین زمان پرواز می‌کند.
نویسندگان چن شامل ژیجیان رن و سوهان کیم، نویسندگان همکار و دانشجویان فارغ التحصیل EECS هستند.
شیانگ جی، دانشمند پژوهشی در EECS ویکون ژو، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی؛ فرناز نیروئی، استادیار EECS; و جینگ کنگ، استاد EECS و محقق اصلی در RLE.
این تحقیق برای انتشار درنشریه Advanced Materials پذیرفته شده است. و در مجموعه ستارگان در حال ظهور مجله گنجانده شده است، که آثار برجسته محققان اولیه را شناسایی می کند.
ساخت عضلات میکرو ربات
این میکرو ربات مستطیلی که کمتر از یک چهارم پنی وزن دارد. دارای چهار مجموعه بال است که هر کدام توسط یک محرک نرم هدایت می شوند.
این محرک‌های ماهیچه‌مانند از لایه‌هایی از الاستومری ساخته شده‌اند. که بین دو الکترود بسیار نازک قرار گرفته و سپس به‌صورت استوانه‌ای درهم می‌پیوندند.
هنگامی که ولتاژ به محرک اعمال می شود، الکترودها الاستومر را فشرده می کنند و از آن فشار مکانیکی برای بال زدن بال استفاده می شود.
هرچه سطح محرک بیشتر باشد، ولتاژ کمتری مورد نیاز است. بنابراین، چن و تیمش این ماهیچه‌های مصنوعی را با تناوب بین لایه‌های بسیار نازک الاستومر و الکترود می‌سازند.با نازک شدن لایه های الاستومری، ناپایدارتر می شوند.
برای اولین بار، محققان توانستند یک محرک با ۲۰ لایه، که ضخامت هر یک از آنها ۱۰ میکرومتر (در حدود قطر یک گلبول قرمز) است، ایجاد کنند. اما آنها مجبور بودند بخش هایی از فرآیند ساخت را دوباره اختراع کنند تا به آنجا برسند.
موانع اصلی
یکی از موانع اصلی این فرآیند، پوشش اسپین است. در طول پوشش اسپین، یک الاستومر روی یک سطح صاف ریخته شده به سرعت می چرخد و نیروی گریز از مرکز فیلم را به سمت بیرون می کشد تا نازک تر شود.
در این فرآیند، هوا به داخل الاستومر برمی‌گردد و حباب‌های میکروسکوپی زیادی ایجاد می‌کند. قطر این حباب‌های هوا به سختی ۱ میکرومتر است، بنابراین قبلاً آنها را نادیده می‌گرفتیم. اما وقتی لایه‌های نازک‌تر و نازک‌تر می‌شوید، اثر حباب‌های هوا قوی‌تر و قوی‌تر می‌شود. چن توضیح می دهد که به طور سنتی به همین دلیل است که مردم نمی توانند این لایه های بسیار نازک را بسازند.
او و همکارانش دریافتند که اگر بلافاصله پس از پوشش چرخشی، در حالی که الاستومر هنوز خیس است، فرآیند جاروبرقی را انجام دهند، حباب های هوا را از بین می برد. سپس الاستومر را می پزند تا خشک شود.
چن می گوید، حذف این عیوب، توان خروجی محرک را بیش از ۳۰۰ درصد افزایش می دهد و طول عمر آن را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد.
محققان همچنین الکترودهای نازکی را که از نانولوله های کربنی تشکیل شده اند، بهینه کردند، رول های کربنی فوق العاده قوی که حدود ۱/۵۰۰۰۰ قطر موی انسان است. غلظت‌های بالاتر نانولوله‌های کربنی باعث افزایش توان خروجی محرک و کاهش ولتاژ می‌شود، اما لایه‌های متراکم نیز دارای نقص‌های بیشتری هستند.
به عنوان مثال، چن توضیح می‌دهد که نانولوله‌های کربنی انتهای تیز دارند و می‌توانند الاستومر را سوراخ کنند، که باعث کوتاه شدن دستگاه می‌شود. پس از آزمون و خطای بسیار، محققان غلظت بهینه را پیدا کردند.
مشکل دیگر مربوط به مرحله پخت است – با اضافه شدن لایه های بیشتر، خشک شدن محرک زمان بیشتری و طولانی تری می برد.
اولین باری که از شاگردم خواستم یک محرک چندلایه بسازد، وقتی به ۱۲ لایه رسید، مجبور شد دو روز صبر کند تا خوب شود. چن می‌گوید: «این کاملاً پایدار نیست، به‌ویژه اگر بخواهید تا لایه‌های بیشتری را افزایش دهید.»
آنها دریافتند که پخت هر لایه برای چند دقیقه بلافاصله پس از انتقال نانولوله های کربنی به الاستومر، زمان پخت را کاهش می دهد زیرا لایه های بیشتری اضافه می شود.
بهترین عملکرد در رده
پس از استفاده از این تکنیک برای ایجاد یک عضله مصنوعی ۲۰ لایه، آن ها آن را در برابر نسخه شش لایه قبلی و محرک های سخت و پیشرفته خود آزمایش کردند. در طول آزمایش‌های بلند کردن، محرک ۲۰ لایه که برای کار کردن به ولتاژ کمتر از ۵۰۰ ولت نیاز دارد، قدرت کافی را اعمال کرد تا به ربات نسبت بالابر به وزن ۳.۷ به ۱ بدهد تا بتواند وسایلی را حمل کند که تقریباً سه برابر وزن خود هستند.
آنها همچنین یک پرواز معلق ۲۰ ثانیه ای را نشان دادند که چن می گوید طولانی ترین پروازی است که تا به حال توسط یک ربات با وزن کمتز از گرمی ثبت شده است. ربات معلق آنها نسبت به بقیه موقعیت خود را پایدارتر نگه داشت. محرک ۲۰ لایه پس از بیش از ۲ میلیون چرخه راندن همچنان به نرمی کار می کرد و از طول عمر عملگرهای دیگر بسیار بیشتر بود.
دو سال پیش، ما پرقدرت ترین محرک را ایجاد کردیم که به سختی می توانست پرواز کند.برای ما بسیار عجیب بود که آیا ربات های نرم می توانند با ربات های سفت و سخت رقابت کنند؟ ما عیوب را شناسایی کردیم ، به کار ادامه دادیم و مشکلات ساخت را یکی پس از دیگری حل کردیم، و اکنون عملکرد محرک نرم در حال افزایش است. این نوع حتی بهتر از انواع پیشرفته سفت و سخت است. و هنوز تعدادی فرآیند ساخت در علم مواد وجود دارد که ما آنها را درک نمی کنیم. بنابراین، من بسیار هیجان‌زده هستم که به کاهش بیشتر ولتاژ محرک ادامه دهم.»
چن مشتاقانه منتظر همکاری با نیرو برای ساخت محرک‌ها در اتاق تمیز در MIT.nano و استفاده از تکنیک‌های نانوساخت است.درحال حاضر، تیم او به نازک شدن لایه ها به دلیل گرد و غبار موجود در هوا و حداکثر سرعت پوشش چرخشی محدود شده است.
کار در اتاق تمیز این مشکل را از بین می برد و به آنها امکان می دهد از روش هایی مانند doctor blading استفاده کنند که دقیق تر از پوشش اسپین است.
همانطور که چن از تولید لایه های محرک ۱۰ میکرومتری هیجان زده است. امیدوار است که ضخامت آن را تنها به ۱ میکرومتر کاهش دهد، که دریچه ای را برای بسیاری از کاربردها برای این روبات های اندازه حشره باز می کند.
این کار تا حدی توسط آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک MIT و یک بورس تحصیلی فارغ التحصیل ریاضیات پشتیبانی می شود.