معرفی ریزربات های پروازی

وقتی صحبت از ربات‌ها می‌شود، فکر می‌کنیم که ربات هرچه بزرگ‌تر باشد، بهتر است.

اما ممکن است روزی، انبوهی از ربات‌هایی کوچک به اندازه حشرات، یک مزرعه را گرده‌افشانی کنند یا در میان آوارهای یک ساختمان فروریخته، به دنبال بازماندگان بگردند.

محققان MIT از پهپادهای کوچکی رونمایی کرده‌اند که می‌توانند با چابکی و انعطاف‌پذیری بالایی شبیه به حشرات، به پرواز دربیایند که در نهایت می‌توانند وظایف مذکور را انجام دهند.

محرک‌های نرمی که این میکرو ربات‌ها را به حرکت در می‌آورند، بسیار بادوام هستند.

اما این محرک‌ نرم به ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به محرک‌های سفت و محکم با اندازه مشابه، نیاز دارند.

این میکرو ربات‌ها، تجهیزات الکترونیکی بزرگ و با وزن زیاد را نمیتوانند حمل کنند، چرا که مانع پرواز آن‌ها می‌شود.

اکنون، محققان تکنیک ساختی را پیشگام کرده‌اند که این توانایی را به آن‌ها می‌دهد که محرک‌های نرمی را بسازند که با ولتاژ ۷۵ درصد کمتر از نسخه‌های فعلی کار می‌کنند و ۸۰ درصد بار بیشتری را حمل می‌کنند.

این محرک‌های نرم مانند ماهیچه‌های مصنوعی هستند که به سرعت بال‌های ربات را تکان می‌دهند.

این تکنیک ساخت جدید، باعث شده تا ماهیچه‌های مصنوعی با نقص‌ کمتری تولید شود که به طور چشمگیری، طول عمر قطعات را افزایش می‌دهد و عملکرد و توانایی حمل بار ربات را افزایش می‌دهد.

Kevin chen، استادیار در گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر، رئیس آزمایشگاه رباتیک نرم و میکرو در آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک (RLE) و نویسنده ارشد مقاله، می‌گوید: «این میکروربات‌ها فرصت‌های زیادی را در آینده برای ما ایجاد می‌کنند تا به استفاده از تجهیزات الکترونیکی در میکروربات‌ها روی بیاوریم.

مردم دوست دارند فکر کنند که ربات‌های نرم و کوچک به اندازه ربات‌های بزرگ و محکم، توانایی ندارند.

اما ما نشان می‌دهیم که این ربات با وزنی کمتر از یک گرم، برای طولانی‌ترین زمان با کمترین خطا به صورت معلق، پرواز می‌کند.

درواقع، پیام اصلی این است که ربات های نرم می‌توانند عملکرد بهتری نسبت به ربات‌های بزرگ و محکم داشته باشند».

از نویسندگان همکار chen می‌توان به Zhijian Ren و Suhan Kim، نویسندگان همکار و دانشجویان فارغ التحصیل EECS؛ Xiang Ji، دانشمند پژوهشی در EECS؛ Weikun Zhu، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی؛ فرناز نیروئی، استادیار EECS; و Jing Kong، استاد EECS و محقق اصلی در RLE اشاره کرد.

این تحقیق برای انتشار در Advanced Materials پذیرفته شده و در مجموعه مجله ستارگان در حال ظهور گنجانده شده است، که در این مجله آثار برجسته محققان اولیه را شناسایی می‌کند.

ساخت عضلات برای ریزربات های پروازی

این میکروربات مستطیلی که کمتر از یک چهارم پنی (کوچکترین واحد پول انگلیس و آمریکا) وزن دارد، دارای چهار مجموعه بال است که هر کدام توسط یک محرک نرم هدایت می‌شوند.

این محرک‌های ماهیچه‌مانند، از لایه‌هایی از جنس الاستومری (پلیمر الاستیک) ساخته شده‌اند که بین دو الکترود بسیار نازک قرار گرفته و سپس به‌صورت استوانه‌ای درهم می‌پیوندند.

هنگامی که ولتاژ به محرک اعمال می‌شود. الکترودها الاستومر را فشرده می‌کنند و از این فشار مکانیکی تولید شده، برای حرکت بال‌های این ریزربات استفاده می‌شود.

هر چه مساحت سطح محرک بیشتر باشد، ولتاژ کمتری مورد نیاز است.

بنابراین، chen و تیمش این ماهیچه‌های مصنوعی را با جایگزین کردن لایه‌های بسیار نازک الاستومر و الکترود تا جایی که می‌توانند، می‌سازند.

همانطور که لایه‌های الاستومری نازک‌تر می‌شوند، ماهیچه‌ها ناپایدارتر می‌شوند.

برای اولین بار، محققان توانستند یک محرک با ۲۰ لایه، که ضخامت هر یک از لایه‌ها ۱۰ میکرومتر (در حدود قطر یک گلبول قرمز) است، بسازند.

اما آن‎ها مجبور بودند بخش‌هایی از فرآیند ساخت را دوباره اختراع کنند تا به مرحله تولید برسند.

یکی از موانع اصلی فرآیند، پوشش اسپین یا پوشش دهی دَوَرانی است. (پوشش دهی دورانی (به انگلیسی: Spin coating) روشی رایج در علوم مهندسی، برای نشاندن لایه‌های نازک و یکنواخت مواد بر روی یک زیرساخت مسطح است.)

در طول پوشش اسپین، یک الاستومر روی یک سطح صاف ریخته می‌شود و به سرعت می‌چرخد و نیروی گریز از مرکز پوسته را به سمت بیرون می‌کشد تا نازک‌تر شود.

chen توضیح می‌دهد: « در این فرآیند، هوا به داخل الاستومر برمی‌گردد و حباب‌های میکروسکوپی زیادی ایجاد می‌کند. قطر این حباب‌های هوا به سختی ۱ میکرومتر می‌شود، بنابراین قبلاً به نوعی آن‌ها را نادیده می‌گرفتیم.

اما وقتی لایه‌ها نازک و نازک‌تر می‌شدند، اثر حباب‌های هوا نیز قوی‌ و قوی‌تر می‌شد.

به همین دلیل است که به طور سنتی، مردم قادر به ایجاد این لایه‌های بسیار نازک نبوده‌اند».

او و همکارانش دریافتند که اگر بلافاصله پس از پوشش دورانی، در حالی که الاستومر هنوز خیس است، فرآیند vacuuming را انجام دهند، حباب‌های هوا را از بین می‌برد، سپس الاستومر را می‌پزند تا خشک شود.

Thermo یا Vacuum Forming یکی از قدیمی‌ترین و رایج‌ترین روش‌های پردازش مواد پلاستیکی است.

این فرآیند شامل حرارت دادن یک ورق پلاستیکی تا زمانی است که نرم شود و سپس آن را درون یک قالب قرار می‌ریزند.

یک خلاء برای مکیدن ورق، به داخل قالب اعمال می‌شود. سپس ورق از قالب خارج می‌شود.

Chen می‌گوید: « رفع این عیوب، توان خروجی محرک را بیش از ۳۰۰ درصد افزایش می‌دهد و طول عمر آن را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد».

همچنین محققان الکترودهای نازکی را که از نانولوله‌های کربنی تشکیل شده‌اند، بهینه‌سازی کردند. (رول‌های کربنی فوق‌العاده قوی که در حدود ۵۰۰۰۰/۱ قطر موی انسان است.)

غلظت‌های بالاتر نانولوله‌های کربنی، توان خروجی محرک را افزایش داده و ولتاژ را کاهش می‌دهد، اما لایه‌های متراکم دارای نقص‌های بیشتری هستند.

به عنوان مثال، Chen 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; چون با اضافه شدن لایه های بیشتر، خشک شدن محرک زمان بیشتری می‌برد و طولانی‌تر است.

Chen می‌گوید: «اولین باری که از شاگردم خواستم یک محرک چند لایه بسازد، وقتی به ۱۲ لایه رسید، باید دو روز صبر می‌کرد تا خوب درست شود. این نوع محرک کاملاً پایدار نیست، به خصوص اگر می خواهید تا لایه‌های بیشتری را مقیاس کنید».

آن‌ها دریافتند که پخت هر لایه به مدت چند دقیقه بلافاصله پس از انتقال نانولوله های کربنی به الاستومر، زمان پخت را با اضافه شدن لایه‌ها کاهش می‌دهد.

بهترین عملکرد ریزربات پروازی

پس از استفاده از این تکنیک برای ایجاد یک عضله مصنوعی ۲۰ لایه، محققان آن را در برابر نسخه قبلی که ۶ لایه بود و همچنین محرک‌های سخت و پیشرفته، آزمایش کردند.

در طی آزمایشات بلند شدن این پهپاد کوچک، محرک ۲۰ لایه که برای کارکردن به ولتاژ کمتر از ۵۰۰ ولت نیاز دارد، قدرت کافی را به این میکروربات اعمال کرد. بنابراین این پهپاد کوچک می‌تواند وسایلی را حمل کند که تقریباً سه برابر وزن خود هستند.

آن‌ها همچنین یک پرواز ۲۰ ثانیه‌ای را به نمایش گذاشتند.

chen می‌گوید که این طولانی‌ترین پروازی است که تا کنون توسط یک ربات زیر یک گرم ثبت شده است.

این ریزربات پروازی نسبت به بقیه ربات‌های مشابه، در موقعیت خود پایدارتر بود.

همچنین Kevin افزود:« دو سال پیش، ما پرقدرت‌ترین محرک را ایجاد کردیم که به سختی می‌توانست یک پهپاد را به پرواز دربیاورد.

ما تعجب کردیم که آیا محرک‌های نرم می‌توانند با محرک‌های سفت و محکم رقابت کنند؟ ما نقص‌های زیادی را یکی پس از دیگری مشاهده کردیم، بنابراین به کار خود ادامه دادیم و مشکلات ساخت را به مراتب رفع کردیم.

و اکنون عملکرد محرک نرم در حال پیشرفت است. آن‌ها حتی کمی بهتر از پیشرفته‌ترین‌ محرک‌های سفت و سخت هستند.

و هنوز تعدادی فرآیند ساخت در علم مواد وجود دارد که ما آن‌ها را درک نمی‌کنیم. بنابراین، من بسیار هیجان زده هستم که به کاهش ولتاژ محرک ادامه دهم».

در حالی که Kevin از تولید لایه‌های محرک ۱۰ میکرومتری هیجان زده است، امید دارد که ضخامت آن را تنها به ۱ میکرومتر کاهش دهد، که در را به روی بسیاری از کاربردها برای این ربات‌های اندازه حشره باز می‌کند.

منبع: robohub.org