Воздушные роботы, с другой стороны, не столь устойчивы. Проделайте отверстия в крыльевых двигателях робота или отрубите часть его пропеллера, и, скорее всего, он будет заземлен.

Вдохновленные выносливостью шмелей, исследователи Массачусетского технологического института разработали методы ремонта, которые позволяют воздушному роботу размером с жука получать серьезные повреждения приводов или искусственных мышц, приводящих в движение его крылья, но при этом эффективно летать.

Они оптимизировали эти искусственные мышцы, чтобы робот мог лучше изолировать дефекты и устранять незначительные повреждения, такие как крошечные отверстия в приводе. Кроме того, они продемонстрировали новый метод лазерного ремонта, который может помочь роботу восстановиться после серьезных повреждений, таких как пожар, который опалил устройство.

Используя их методы, поврежденный робот мог поддерживать работоспособность на уровне полета после того, как в одну из его искусственных мышц вонзилось 10 игл, а привод все еще мог работать после того, как в нем была прожжена большая дыра. Их методы ремонта позволили роботу продолжать летать даже после того, как исследователи отрезали 20 процентов кончика его крыла.

Это могло бы сделать рои крошечных роботов более способными выполнять задачи в сложных условиях, таких как проведение поисковой миссии в разрушающемся здании или густом лесу.

"Мы потратили много времени на понимание динамики мягких искусственных мышц, и благодаря новому методу изготовления и новому пониманию мы можем продемонстрировать уровень устойчивости к повреждениям, сравнимый с насекомыми. Мы очень взволнованы этим. Но насекомые все еще превосходят нас в том смысле, что они могут потерять до 40 процентов своего крыла и все еще летать. Нам еще предстоит проделать кое-какую работу", - говорит Кевин Чен, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS) им. Д. Рида Уидона-младшего, руководитель лаборатории мягкой и микроробототехники Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и старший автор из документа об этих последних достижениях.

Чен написал статью вместе с соавторами и аспирантами EECS Суханом Кимом и И-Суан Сяо; Янгхуном Ли, постдоком; Вейкуном "Спенсером" Чжу, аспирантом кафедры химической инженерии; Чжицзянь Реном, аспирантом EECS; и Фарназом Нируи, специалистом по развитию карьеры EE Landsman. Доцент кафедры EECS Массачусетского технологического института и член RLE. Статья появится в Научная робототехника.

Методы ремонта роботов

Крошечные прямоугольные роботы, разрабатываемые в лаборатории Чена, примерно того же размера и формы, что и микрокассетная лента, хотя один робот весит едва ли больше скрепки для бумаг. Крылья на каждом углу приводятся в действие приводами из диэлектрического эластомера (DEAs), которые представляют собой мягкие искусственные мышцы, использующие механические усилия для быстрого взмаха крыльев. Эти искусственные мышцы сделаны из слоев эластомера, которые зажаты между двумя тонкими, как бритва, электродами, а затем свернуты в мягкую трубку. Когда напряжение подается на DEA, электроды сжимают эластомер, который закрывает крыло.

Но микроскопические дефекты могут вызвать искры, которые обжигают эластомер и приводят к выходу устройства из строя. Около 15 лет назад исследователи обнаружили, что они могут предотвратить сбои DEA из-за одного крошечного дефекта, используя физическое явление, известное как самоочищение. В этом процессе подача высокого напряжения на DEA отключает локальный электрод вокруг небольшого дефекта, изолируя этот дефект от остальной части электрода, так что искусственная мышца все еще работает.

Чен и его сотрудники использовали этот процесс самоочищения в своих методах ремонта роботов.

Во-первых, они оптимизировали концентрацию углеродных нанотрубок, из которых состоят электроды в DEA. Углеродные нанотрубки - это сверхпрочные, но чрезвычайно крошечные рулоны углерода. Наличие меньшего количества углеродных нанотрубок в электроде улучшает самоочищение, поскольку он достигает более высоких температур и легче сгорает. Но это также снижает удельную мощность привода.

"В определенный момент вы не сможете получать достаточно энергии из системы, но нам нужно много энергии и мощи, чтобы управлять роботом. Нам нужно было найти оптимальную точку между этими двумя ограничениями - оптимизировать свойство самоочищения при условии, что мы все еще хотим, чтобы робот летал", - говорит Чен.

Однако даже оптимизированный DEA выйдет из строя, если он будет серьезно поврежден, например, из-за большого отверстия, через которое в устройство попадает слишком много воздуха.

Чен и его команда использовали лазер для устранения серьезных дефектов. Они аккуратно вырезают лазером по внешним контурам большой дефект, который наносит незначительные повреждения по периметру. Затем они могут использовать самоочищение, чтобы выжечь слегка поврежденный электрод, изолируя более крупный дефект.

"В некотором смысле, мы пытаемся сделать операцию на мышцах. Но если мы не используем достаточно энергии, то не сможем нанести достаточный ущерб, чтобы изолировать дефект. С другой стороны, если мы используем слишком много энергии, лазер вызовет серьезные повреждения привода, которые невозможно будет устранить", - говорит Чен.

Вскоре команда поняла, что при "работе" с такими крошечными устройствами очень трудно наблюдать за электродом, чтобы увидеть, успешно ли они изолировали дефект. Опираясь на предыдущую работу, они внедрили электролюминесцентные частицы в привод. Теперь, если они видят сияющий свет, они знают, что часть привода исправна, но темные пятна означают, что они успешно изолировали эти области.

Успешные летные испытания

Как только они усовершенствовали свои методы, исследователи провели тесты с поврежденными приводами - в некоторые из них было воткнуто множество игл, в то время как в других были прожжены отверстия. Они измерили, насколько хорошо робот справился с экспериментами по взмаху крыла, взлету и зависанию.

Даже с поврежденными DEAS методы ремонта позволили роботу сохранить свои летные характеристики с ошибками высоты, положения и ориентации, которые лишь незначительно отличались от ошибок неповрежденного робота. С помощью лазерной хирургии DEA, который был бы неисправен без возможности восстановления, смог восстановить 87 процентов своей производительности.

"Я должен отдать должное двум моим ученикам, которые проделали много тяжелой работы, когда управляли роботом. Управлять роботом самим по себе очень сложно, не говоря уже о том, что теперь мы намеренно повреждаем его", - говорит Чен.

Эти методы ремонта делают крошечных роботов намного более надежными, поэтому Чен и его команда сейчас работают над обучением их новым функциям, таким как посадка на цветы или полет в стае. Они также разрабатывают новые алгоритмы управления, чтобы роботы могли лучше летать, учат роботов контролировать угол рыскания, чтобы они могли сохранять постоянный курс, и позволяют роботам нести крошечную схему с долгосрочной целью - иметь собственный источник питания.

Эта работа частично финансируется Национальным научным фондом (NSF) и стипендией MathWorks.