MIT vyvíjí pružné polymerové svaly na mini dronech

Každý, kdo někdy viděl jak se moucha pokouší vyletět oknem, ví, že mouchy nejsou nejpřesnější letci. Totéž lze říci o jiném hmyzu, jako jsou čmeláci, komáři a motýli.

Přesto, i když neustále narážejí do věcí (nebo do sebe navzájem), nezdá se, že by se nikdy příliš poškodily – alespoň ne natolik, aby nemohly letět.

Drony nejsou tak odolné. Sebemenší kontakt s předmětem je může poslat k zemi – často trvale.

Výzkumníci z MIT nyní ušli dlouhou cestu k vyřešení křehkosti dronů pomocí vlastního robota inspirovaného hmyzem, který má „odolné umělé svaly, které mohou ... účinně obnovit letový výkon poté, co utrpěly vážné poškození“.

Jedná se o aplikaci know-how v oblasti polymerů a uhlíkových nanotrubic, které by mohly způsobit revoluci v konstrukci dronů nové generace. Umožňuje izolovat poškozené části, aby se drony udržely v letu, a rozbité části dokonce opravit pomocí nové laserové techniky.

Jak uvádí webová stránka MIT: „Pomocí [nových] technologií si poškozený robot může udržet výkon letu na stejné úrovni poté, co byl jeden z jeho umělých svalů píchnut 10 jehlami, a aktuátor byl stále schopen fungovat i po vypálení velké díry. Metody renovací umožnily robotovi létat i poté, co mu výzkumníci odřízli 20 procent špičky křídla.

Takové množství poškození by způsobilo zastavení dronů obyčejné konstrukce navzdory nedávným zlepšením letových schopností. Jak uvádí studie, publikovaná v časopise Science Robotics: „Ačkoli roboti pohánění pevnými aktuátory prokázali rychlý pohyb a manipulaci, většina z nich postrádá zvířecí odolnost proti neočekávanému poškození.“

„Strávili jsme spoustu času pochopením dynamiky měkkých, umělých svalů a prostřednictvím nové výrobní technologie i nového porozumění můžeme prokázat úroveň odolnosti vůči poškození, která je srovnatelná s hmyzem,“ vysvětluje Kevin Chen, Jr. Odborný asistent na katedře elektrotechniky a informatiky (EECS) a hlavní autor článku. "Jsme z toho velmi nadšení. Ale hmyz nás stále převyšuje v tom smyslu, že může ztratit až 40 procent křídel a přesto létat. Stále máme co dohánět."

Malí pravoúhlí roboti vyrábění v Chenově laboratoři jsou asi tak dlouzí jako AA baterie a dvakrát širší, přitom neváží víc než kancelářská sponka. K pohonu křídel na každém rohu se používají dielektrické elastomerové aktuátory (DEA), což jsou měkké umělé svaly. Tyto svaly jsou vyrobeny z elastomerních vrstev, které jsou umístěny mezi dvě neuvěřitelně tenké elektrody a zabaleny do ohebné trubice. Elektrody tlačí na elastomer, když je do DEA přivedeno napětí, a to způsobuje máchání křídla.

Je to neuvěřitelný design a skok vpřed v technologii dronů.

Drobné vady však mohou způsobit jiskry, které spálí elastomer a zničí zařízení. K vyřešení tohoto problému asi před 15 lety výzkumníci vyvinuli metodu nazvanou „samočištění“, aby zastavili selhání DEA způsobené jedinou mikroskopickou vadou. Při tomto postupu se na DEA přivádí vysoké napětí, aby se izolovala místní elektroda kolem drobného defektu. Se zbytkem elektrody odpojeným od poškození umělý sval nadále funguje.

Klíčem k tomuto průlomu byla aplikace supersilných uhlíkových nanotrubic ve správné koncentraci. Tím, že bylo v elektrodě méně uhlíkových nanotrubic, se týmu podařilo zlepšit proces samočištění, protože bylo snadněji dosaženo vyšších teplot a poškozená elektroda se rychle spálila.

Jak konstruktéři dronů vědí, vždy existuje rovnováha mezi přidělením výkonu pro to, co dron potřebuje udělat, a přidělením výkonu pro udržení letu a ovládání.

„V určitém okamžiku nebudete schopni ze systému získat dostatek energie, ale potřebujeme hodně energie a výkonu, abychom mohli robota řídit,“ říká Chen. "Museli jsme najít optimální bod mezi těmito dvěma omezeními - optimalizovat samočistící vlastnost za podmínky, že stále chceme, aby robot létal."

Pro zotavení se z poškození, jako je velká díra v křídle, tým MIT použil lasery k řezání podél vnější hranici jakéhokoli defektu. Samočistící proces pak spaluje poškozenou elektrodu, aby se chyba izolovala.

"Svým způsobem se snažíme o operaci svalů," říká Chen. „Pokud ale nepoužijeme dostatek energie, nemůžeme napáchat dostatečné škody, abychom defekt izolovali. Na druhou stranu, pokud použijeme příliš mnoho energie, laser způsobí vážné poškození aktuátoru, které nebude možné odstranit.“

Zjistit, zda byla elektroda oddělena, bylo extrémně obtížné, ale tým použil dřívější výzkum, který začlenil elektroluminiscenční částice do aktuátoru – podobně jak se rozsvítí světluška. Dokud částice svítily, věděli, že elektroda je stále připojena, tmavé skvrny byly důkazem úspěšné izolace.

Aby vědci otestovali účinnost tohoto přístupu, udělali díry v křídlech jehlami a v ostatních vypálili skvrny, než změřili jejich schopnost létat.

„I v případě poškozených DEA techniky opravy umožnily robotu udržet si svůj letový výkon s chybami výšky, polohy a orientace, které se jen nepatrně odchylovaly od chyb nepoškozeného robota,“ uvádí zpráva MIT. "Pomocí laserové chirurgie byla DEA, která by byla neopravitelná, schopna obnovit 87 procent svého výkonu."

„Tato práce je důležitá, protože malí létající roboti – a létající hmyz! — pořád kolidují se svým prostředím,“ říká Nick Gravish, docent na katedře mechanického a leteckého inženýrství Kalifornské univerzity v San Diegu, který se na výzkumu nepodílel.

Pokud mají být mikrodrony a roje dronů efektivní součástí dronového průmyslu, pak bude klíčové vyřešení otázky odolnosti – stejně jako snadná oprava.

Tento nový přístup kombinující umělé svaly, dielektrické elastomerové ovladače, samočistící proces a uhlíkové nanotrubice může dobře ukázat budoucnost spolehlivějšího a pevnějšího způsobu létání.

Zdroj foto: Courtesy of the researchers at MIT, Tony Cordardo, Myriams fotos from Pixabay, Sven Lachmann, Thomas Ehrhardt, & Dose Media on Unsplash