새로운 수리 기술을 통해 초소형 로봇은 날개에 동력을 공급하는 인공 근육 에 심각한 손상을 입은 후 비행 성능을 회복할 수 있습니다. -- 사이언스데일 리

땅벌은 서투른 전단지입니다. 먹이를 찾는 꿀벌은 1초에 한 번 정도 꽃에 부딪혀 시간이 지남에 따라 날개가 손상되는 것으로 추정됩니다. 그러나 날개에 작은 찢김이나 구멍이 많이 있음에도 불구하고 땅벌은 여전히 ​​날 수 있습니다.

반면에 공중 로봇은 탄력적이지 않습니다. 로봇의 날개 모터에 구멍을 뚫거나 프로펠러의 일부를 잘라내면 접지될 확률이 매우 높습니다.

땅벌의 강인함에서 영감을 받아 MIT 연구원들은 버그 크기의 공중 로봇이 날개에 동력을 공급하는 액추에이터 또는 인공 근육에 심각한 손상을 입히면서도 효과적으로 날 수 있도록 하는 수리 기술을 개발했습니다.

로봇이 결함을 더 잘 격리하고 액추에이터의 작은 구멍과 같은 경미한 손상을 극복할 수 있도록 이러한 인공 근육을 최적화했습니다. 또한 기기를 태우는 화재와 같은 심각한 손상으로부터 로봇이 복구하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 레이저 수리 방법을 시연했습니다.

그들의 기술을 사용하여 손상된 로봇은 인공 근육 중 하나가 10개의 바늘로 찔린 후에도 비행 수준의 성능을 유지할 수 있었고 액추에이터는 큰 구멍이 난 후에도 여전히 작동할 수 있었습니다. 그들의 수리 방법은 연구원들이 날개 끝의 20%를 잘라낸 후에도 로봇이 계속 비행할 수 있게 했습니다.

이것은 작은 로봇 무리가 무너지는 건물이나 울창한 숲을 통해 수색 임무를 수행하는 것과 같은 거친 환경에서 작업을 더 잘 수행할 수 있도록 만들 수 있습니다.

“우리는 부드러운 인공 근육의 역학을 이해하는 데 많은 시간을 보냈고, 새로운 제조 방법과 새로운 이해를 통해 곤충에 필적하는 수준의 손상 회복력을 보여줄 수 있습니다. 우리는 이것에 대해 매우 흥분됩니다. . 그러나 곤충은 날개의 최대 40%를 잃고도 여전히 날 수 있다는 점에서 여전히 우리보다 우월합니다. 전기 공학 및 컴퓨터 과학(EECS)과 조교수, 전자 연구소(RLE)의 소프트 및 마이크로 로봇 연구실 책임자, 이러한 최신 발전에 관한 논문의 수석 저자입니다.

Chen은 공동 저자이자 EECS 대학원생인 Suhan Kim 및 Yi-Hsuan Hsiao와 함께 논문을 작성했습니다. Postdoc 이영훈; 화학공학과 대학원생 Weikun “Spencer” Zhu; EECS 대학원생 Zhijian Ren; MIT EECS의 EE Landsman Career Development 조교수이자 RLE 회원인 Farnaz Niroui. 에 기사가 표시됩니다. 사이언스 로보틱스.

로봇 수리 기술

Chen의 연구실에서 개발 중인 작은 직사각형 로봇은 크기와 모양이 마이크로카세트 테이프와 비슷하지만 로봇 한 대의 무게는 종이 클립 정도밖에 되지 않습니다. 각 모서리의 날개는 기계적 힘을 사용하여 날개를 빠르게 펄럭이는 부드러운 인공 근육인 유전체 엘라스토머 액추에이터(DEA)로 구동됩니다. 이 인공 근육은 두 개의 면도날처럼 얇은 전극 사이에 삽입된 후 물렁한 튜브로 감겨진 엘라스토머 층으로 만들어집니다. DEA에 전압이 가해지면 전극이 엘라스토머를 압착하여 날개를 펄럭입니다.

그러나 미세한 결함으로 인해 엘라스토머를 태우는 스파크가 발생하여 장치가 고장날 수 있습니다. 약 15년 ​​전, 연구원들은 자체 제거라고 알려진 물리적 현상을 사용하여 하나의 작은 결함에서 DEA 실패를 방지할 수 있음을 발견했습니다. 이 과정에서 DEA에 고전압을 가하면 작은 결함 주위의 국부 전극이 분리되어 전극의 나머지 부분에서 해당 결함을 격리하여 인공 근육이 계속 작동합니다.

Chen과 그의 공동 작업자는 로봇 수리 기술에 이 자체 청소 프로세스를 사용했습니다.

첫째, 그들은 DEA에서 전극을 구성하는 탄소 나노튜브의 농도를 최적화했습니다. 탄소 나노튜브는 초강력이지만 매우 작은 탄소 롤입니다. 전극에 탄소 나노튜브가 적으면 더 높은 온도에 도달하고 더 쉽게 타버리기 때문에 자가 제거가 향상됩니다. 그러나 이것은 또한 액추에이터의 전력 밀도를 감소시킵니다.

“어느 시점에서 시스템에서 충분한 에너지를 얻을 수 없지만 로봇을 날리려면 많은 에너지와 힘이 필요합니다. 우리는 이 두 가지 제약 조건 사이에서 최적의 지점을 찾아야 했습니다. -우리는 여전히 로봇이 날기를 원한다는 제약 하에서 재산을 정리합니다.”라고 Chen은 말합니다.

그러나 최적화된 DEA라도 장치에 너무 많은 공기가 들어가는 큰 구멍과 같이 심각한 손상을 입으면 실패합니다.

Chen과 그의 팀은 주요 결함을 극복하기 위해 레이저를 사용했습니다. 그들은 레이저로 큰 결함의 외부 윤곽을 따라 조심스럽게 절단하여 주변에 경미한 손상을 입힙니다. 그런 다음 자가 제거를 사용하여 약간 손상된 전극을 태우고 더 큰 결함을 격리할 수 있습니다.

“어떤 의미로는 근육에 수술을 하려고 하는 것입니다. 하지만 충분한 힘을 사용하지 않으면 결함을 격리할 수 있는 충분한 손상을 줄 수 없습니다. 반면에 너무 많은 힘을 사용하면 레이저는 제거할 수 없는 액추에이터에 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다.”라고 Chen은 말합니다.

팀은 곧 그러한 작은 장치에서 “작동”할 때 결함을 성공적으로 분리했는지 확인하기 위해 전극을 관찰하는 것이 매우 어렵다는 것을 깨달았습니다. 이전 연구를 바탕으로 그들은 전계 발광 입자를 액추에이터에 통합했습니다. 이제 그들이 빛이 비치는 것을 본다면 액추에이터의 일부가 작동한다는 것을 알지만 어두운 패치는 해당 영역을 성공적으로 격리했음을 의미합니다.

비행 테스트 성공

기술을 완성한 후 연구원들은 손상된 액추에이터로 테스트를 수행했습니다. 일부는 많은 바늘에 찔린 반면 다른 일부는 구멍이 뚫렸습니다. 그들은 로봇이 펄럭이는 날개, 이륙 및 호버링 실험에서 얼마나 잘 수행하는지 측정했습니다.

DEA가 손상된 경우에도 수리 기술을 통해 로봇은 비행 성능을 유지할 수 있었으며 고도, 위치 및 자세 오류는 손상되지 않은 로봇에서 약간만 벗어났습니다. 레이저 수술을 통해 복구할 수 없을 정도로 파손되었을 DEA는 성능의 87%를 복구할 수 있었습니다.

Chen은 “로봇을 날릴 때 많은 노력을 기울인 두 명의 학생에게 그것을 건네줘야 합니다. 로봇을 스스로 날리는 것은 매우 어렵습니다. 우리가 의도적으로 로봇을 손상시키고 있다는 것은 말할 것도 없고요.”라고 Chen은 말합니다.

이러한 수리 기술은 작은 로봇을 훨씬 더 견고하게 만들어 주기 때문에 Chen과 그의 팀은 이제 로봇에게 꽃에 착지하거나 떼를 지어 날아가는 것과 같은 새로운 기능을 가르치기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 또한 로봇이 더 잘 날 수 있도록 새로운 제어 알고리즘을 개발하고 있으며, 로봇이 일정한 방향을 유지할 수 있도록 편각을 제어하도록 가르치고, 로봇이 자체 운반이라는 장기적인 목표를 가지고 작은 회로를 운반할 수 있도록 합니다. 전원.

이 작업은 부분적으로 NSF(National Science Foundation) 및 MathWorks Fellowship에서 자금을 지원합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230315143816.htm