弹性虫子大小的机器人即使在机翼受损后也能继续飞行

发布时间:2023-03-17 19:56:42 栏目:生活

    导读 大黄蜂是笨拙的飞行者。据估计,一只觅食的蜜蜂大约每秒撞到一朵花,随着时间的推移会损坏它的翅膀。然而,尽管它们的翅膀上有许多微小的裂

    大黄蜂是笨拙的飞行者。据估计,一只觅食的蜜蜂大约每秒撞到一朵花,随着时间的推移会损坏它的翅膀。然而,尽管它们的翅膀上有许多微小的裂口或孔,但大黄蜂仍然可以飞行。

    另一方面,空中机器人的弹性就不那么强了。在机器人的机翼电机上戳孔或砍掉螺旋桨的一部分,它很有可能被接地。

    受到大黄蜂耐寒的启发,麻省理工学院的研究人员开发了修复技术,使虫子大小的空中机器人能够承受对其翅膀动力的执行器或人造肌肉的严重损坏,但仍然可以有效地飞行。

    他们优化了这些人造肌肉,以便机器人可以更好地隔离缺陷并克服轻微的损伤,例如执行器上的小孔。此外,他们还展示了一种新颖的激光修复方法,可以帮助机器人从严重损坏中恢复过来,例如烧焦设备的火灾。

    使用他们的技术,受损的机器人可以在其人造肌肉之一被10根针刺伤后保持飞行水平的性能,并且在烧入一个大孔后,执行器仍然能够操作。他们的修复方法使机器人即使在研究人员切断了20%的翼尖后也能继续飞行。

    这可能使成群的微型机器人能够在恶劣的环境中更好地执行任务,例如在倒塌的建筑物或茂密的森林中进行搜索任务。

    “我们花了很多时间了解柔软人造肌肉的动力学,通过新的制造方法和新的理解,我们可以表现出与昆虫相当的抗损伤能力。我们对此感到非常兴奋。但是这些昆虫仍然优于我们,因为它们可以失去多达40%的翅膀并且仍然飞行。我们还有一些追赶工作要做,“电气工程与计算机科学系(EECS)的D. Reid Weedon,Jr.助理教授,电子研究实验室(RLE)软和微机器人实验室的负责人Kevin Chen说,以及发表在Science Robotics上的关于这些最新进展的论文的高级作者。

    机器人维修技术

    陈的实验室正在开发的微型矩形机器人的大小和形状与微型盒式磁带大致相同,尽管一个机器人的重量仅比回形针重。每个角落的机翼由介电弹性体致动器(DEA)提供动力,DEA是一种柔软的人造肌肉,利用机械力快速拍打机翼。这些人造肌肉由弹性体层制成,弹性体夹在两个剃刀薄的电极之间,然后卷成一个柔软的管子。当电压施加到DEA时,电极挤压弹性体,弹性体拍打机翼。

    但是微观缺陷会导致火花燃烧弹性体并导致设备失效。大约15年前,研究人员发现他们可以使用一种称为自我清除的物理现象来防止DEA故障。在这个过程中,向DEA施加高压会断开小缺陷周围的局部电极,将该故障与电极的其余部分隔离开来,因此人造肌肉仍然有效。

    陈和他的合作者在他们的机器人维修技术中采用了这种自我清除过程。

    首先,他们优化了构成DEA电极的碳纳米管的浓度。碳纳米管是超强但极小的碳卷。电极中较少的碳纳米管可以改善自清除,因为它达到更高的温度并且更容易燃烧掉。但这也降低了致动器的功率密度。

    “在某个时候,你将无法从系统中获取足够的能量,但我们需要大量的能量和动力来驾驶机器人。我们必须在这两个约束之间找到最佳点——在我们仍然希望机器人飞行的约束下优化自清除属性,“陈说。

    然而,即使是优化的DEA如果遭受严重损坏,也会失败,比如一个大孔让太多空气进入设备。

    陈和他的团队使用激光克服了主要缺陷。他们用激光小心地沿着大缺陷的外部轮廓切割,这会在周边造成轻微损坏。然后,他们可以使用自清除来烧掉轻微损坏的电极,隔离较大的缺陷。

    “在某种程度上,我们正试图对肌肉进行手术。但是,如果我们没有使用足够的功率,那么我们就无法造成足够的损害来隔离缺陷。另一方面,如果我们使用过多的功率,激光会对致动器造成严重损坏,无法清除,“陈说。

    研究小组很快意识到,在如此微小的设备上“操作”时,很难观察电极以查看它们是否成功隔离了缺陷。借鉴以前的工作,他们将电致发光粒子整合到致动器中。现在,如果他们看到光线照射,他们就知道执行器的一部分正在运行,但暗斑意味着他们成功地隔离了这些区域。

    试飞成功

    一旦他们完善了他们的技术,研究人员就对损坏的致动器进行了测试——有些被许多针刺伤,而另一些则有孔烧伤。他们测量了机器人在扑翼、起飞和悬停实验中的表现。

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