15 (Nanowerk-Neuigkeiten) Hummeln sind ungeschickte Flieger. Es wird geschätzt, dass eine Sammelbiene etwa einmal pro Sekunde auf eine Blume stößt, wodurch ihre Flügel mit der Zeit beschädigt werden. Trotz vieler winziger Risse oder Löcher in ihren Flügeln können Hummeln dennoch fliegen. Flugroboter hingegen sind nicht so belastbar. Bohren Sie Löcher in die Flügelmotoren des Roboters oder hacken Sie einen Teil seines Propellers ab, und die Chancen stehen ziemlich gut, dass er geerdet wird. Inspiriert von der Robustheit von Hummeln haben MIT-Forscher Reparaturtechniken entwickelt, die es einem insektengroßen Flugroboter ermöglichen, schwere Schäden an den Aktuatoren oder künstlichen Muskeln zu erleiden, die seine Flügel antreiben – aber dennoch effektiv fliegen. Sie optimierten diese künstlichen Muskeln, damit der Roboter Defekte besser isolieren und kleinere Schäden wie winzige Löcher im Aktuator überwinden kann. Darüber hinaus demonstrierten sie eine neuartige Laser-Reparaturmethode, die dem Roboter helfen kann, sich von schweren Schäden wie einem Feuer zu erholen, das das Gerät versengt. Mit ihren Techniken konnte ein beschädigter Roboter die Leistung auf Flugniveau aufrechterhalten, nachdem einer seiner künstlichen Muskeln von 10 Nadeln getroffen wurde, und der Aktuator war immer noch in der Lage zu arbeiten, nachdem ein großes Loch hineingebrannt worden war. Ihre Reparaturmethoden ermöglichten es einem Roboter, weiter zu fliegen, selbst nachdem die Forscher 20 Prozent seiner Flügelspitze abgeschnitten hatten. Dadurch könnten Schwärme winziger Roboter besser in der Lage sein, Aufgaben in schwierigen Umgebungen auszuführen, wie z. B. die Durchführung einer Suchmission durch ein einstürzendes Gebäude oder einen dichten Wald. Unter Verwendung der von MIT-Forschern entwickelten Reparaturtechniken kann dieser Mikroroboter seine Leistung auf Flugniveau aufrechterhalten, selbst nachdem die künstlichen Muskeln, die seine Flügel antreiben, mit 10 Nadeln gestochen und 20 Prozent einer Flügelspitze abgeschnitten wurden. (Bild: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher) „Wir haben viel Zeit damit verbracht, die Dynamik weicher, künstlicher Muskeln zu verstehen, und sowohl durch eine neue Herstellungsmethode als auch durch ein neues Verständnis können wir ein Maß an Widerstandsfähigkeit gegenüber Schäden zeigen, das mit Insekten vergleichbar ist “, sagt Kevin Chen, der D. Reid Weedon, Jr. Assistant Professor in der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik (EECS), der Leiter des Soft and Micro Robotics Laboratory im Research Laboratory of Electronics (RLE), und der leitender Autor des Artikels über diese neuesten Fortschritte (Wissenschaft Robotics, „Laserunterstützte Fehlerbeseitigung für Aktuatoren aus dielektrischen Elastomeren in Flugrobotern“). „Wir freuen uns sehr darüber. Aber die Insekten sind uns immer noch überlegen, in dem Sinne, dass sie bis zu 40 Prozent ihrer Flügel verlieren und trotzdem fliegen können. Da haben wir noch Nachholbedarf.“ Chen schrieb das Papier zusammen mit den Co-Hauptautoren Suhan Kim und Yi-Hsuan Hsiao, die EECS-Absolventen sind; Younghoon Lee, Postdoc; Weikun „Spencer“ Zhu, ein Doktorand in der Fakultät für Chemieingenieurwesen; Zhijian Ren, ein EECS-Doktorand; und Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Professor für EECS am MIT und Mitglied des RLE.

Roboterreparaturtechniken

Die winzigen, rechteckigen Roboter, die in Chens Labor entwickelt werden, haben ungefähr die gleiche Größe und Form wie eine Mikrokassette, obwohl ein Roboter kaum mehr wiegt als eine Büroklammer. Die Flügel an jeder Ecke werden von dielektrischen Elastomer-Aktuatoren (DEAs) angetrieben, bei denen es sich um weiche künstliche Muskeln handelt, die mechanische Kräfte verwenden, um die Flügel schnell zu schlagen. Diese künstlichen Muskeln bestehen aus Elastomerschichten, die zwischen zwei hauchdünne Elektroden gelegt und dann zu einem matschigen Schlauch gerollt werden. Wenn Spannung an die DEA angelegt wird, drücken die Elektroden das Elastomer zusammen, wodurch der Flügel schlägt. Aber mikroskopisch kleine Mängel können Funken verursachen, die das Elastomer verbrennen und zum Ausfall des Geräts führen. Vor etwa 15 Jahren fanden Forscher heraus, dass sie DEA-Ausfälle aufgrund eines winzigen Defekts mithilfe eines physikalischen Phänomens, das als Selbstreinigung bekannt ist, verhindern konnten. In diesem Prozess trennt das Anlegen einer Hochspannung an die DEA die lokale Elektrode um einen kleinen Defekt herum und isoliert diesen Fehler vom Rest der Elektrode, sodass der künstliche Muskel weiterhin funktioniert. Chen und seine Mitarbeiter verwendeten diesen Selbstreinigungsprozess in ihren Roboterreparaturtechniken. Zunächst optimierten sie die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren, aus denen die Elektroden in der DEA bestehen. Kohlenstoffnanoröhren sind superstarke, aber extrem kleine Kohlenstoffrollen. Weniger Kohlenstoffnanoröhren in der Elektrode verbessern die Selbstreinigung, da sie höhere Temperaturen erreicht und leichter abbrennt. Damit sinkt aber auch die Leistungsdichte des Aktuators. „Irgendwann wird man nicht mehr genug Energie aus dem System herausholen können, aber wir brauchen viel Energie und Kraft, um den Roboter zu fliegen. Wir mussten den optimalen Punkt zwischen diesen beiden Einschränkungen finden – die Selbstreinigungseigenschaft unter der Einschränkung optimieren, dass der Roboter immer noch fliegen soll“, sagt Chen. Aber selbst eine optimierte DEA versagt, wenn sie schwere Schäden erleidet, wie ein großes Loch, das zu viel Luft in das Gerät lässt. Chen und sein Team verwendeten einen Laser, um größere Defekte zu beheben. Sie schneiden vorsichtig mit einem Laser entlang der Außenkonturen eines großen Defekts, der kleinere Schäden am Umfang verursacht. Dann können sie die leicht beschädigte Elektrode durch Selbstreinigung abbrennen und den größeren Defekt isolieren. „In gewisser Weise versuchen wir, Muskeln zu operieren. Aber wenn wir nicht genug Energie verbrauchen, können wir nicht genug Schaden anrichten, um den Defekt zu isolieren. Wenn wir andererseits zu viel Energie verbrauchen, verursacht der Laser schwere Schäden am Aktuator, die nicht beseitigt werden können“, sagt Chen. Das Team stellte schnell fest, dass es beim „Betrieb“ an solch winzigen Geräten sehr schwierig ist, die Elektrode zu beobachten, um festzustellen, ob sie einen Defekt erfolgreich isoliert haben. Aufbauend auf früheren Arbeiten Roboter-Glühwürmchenbauten sie elektrolumineszierende Partikel in den Aktuator ein. Wenn sie jetzt Licht leuchten sehen, wissen sie, dass ein Teil des Aktuators betriebsbereit ist, aber dunkle Flecken bedeuten, dass sie diese Bereiche erfolgreich isoliert haben.

Flugtest erfolgreich

Nachdem sie ihre Techniken perfektioniert hatten, führten die Forscher Tests mit beschädigten Aktuatoren durch – einige waren von vielen Nadeln getroffen worden, während andere Löcher in sie eingebrannt hatten. Sie maßen, wie gut der Roboter bei Schlagflügel-, Start- und Schwebeversuchen abschneidet. Selbst bei beschädigten DEAs ermöglichten die Reparaturtechniken dem Roboter, seine Flugleistung beizubehalten, mit Höhen-, Positions- und Lagefehlern, die nur sehr geringfügig von denen eines unbeschädigten Roboters abwichen. Mit einer Laseroperation konnte ein DEA, das irreparabel kaputt gewesen wäre, 87 Prozent seiner Leistung wiederherstellen. „Ich muss es meinen beiden Studenten überlassen, die beim Fliegen des Roboters viel harte Arbeit geleistet haben. Das Fliegen des Roboters allein ist sehr schwierig, ganz zu schweigen davon, dass wir ihn jetzt absichtlich beschädigen“, sagt Chen. Diese Reparaturtechniken machen die winzigen Roboter viel robuster, deshalb arbeiten Chen und sein Team nun daran, ihnen neue Funktionen beizubringen, wie das Landen auf Blumen oder das Fliegen im Schwarm. Sie entwickeln auch neue Steueralgorithmen, damit die Roboter besser fliegen können, bringen den Robotern bei, ihren Gierwinkel zu steuern, damit sie eine konstante Richtung halten können, und befähigen die Roboter, einen winzigen Schaltkreis zu tragen, mit dem längerfristigen Ziel, seinen eigenen zu tragen Energiequelle. „Diese Arbeit ist wichtig, weil kleine Flugroboter – und fliegende Insekten! – kollidieren ständig mit ihrer Umgebung. Kleine Windböen können große Probleme für kleine Insekten und Roboter darstellen. Daher brauchen wir Methoden, um ihre Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, wenn wir jemals hoffen wollen, solche Roboter in natürlichen Umgebungen einsetzen zu können“, sagt Nick Gravish, Associate Professor am Department of Mechanical and Aerospace Engineering der University of California in San Diego. der nicht an dieser Untersuchung beteiligt war. „Dieses Papier zeigt, wie sich sanfte Betätigung und Körpermechanik an Schäden anpassen können, und ich denke, es ist ein beeindruckender Schritt nach vorne.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62591.php