Memberi bot seperti bug dorongan – Majalah Time.com

Ketika berbicara tentang robot, lebih besar tidak selalu lebih baik. Suatu hari, segerombolan robot seukuran serangga mungkin menyerbuki ladang tanaman atau mencari yang selamat di tengah puing-puing bangunan yang runtuh.

Peneliti MIT telah menunjukkan drone kecil yang dapat bergerak dengan kelincahan dan ketahanan seperti bug, yang pada akhirnya dapat melakukan tugas-tugas ini. Aktuator lunak yang menggerakkan robot mikro ini sangat tahan lama, tetapi membutuhkan tegangan yang jauh lebih tinggi daripada aktuator kaku yang berukuran sama. Robot kelas bulu tidak dapat membawa elektronika daya yang diperlukan yang memungkinkan mereka terbang sendiri.

Sekarang, para peneliti ini telah memelopori teknik fabrikasi yang memungkinkan mereka membangun aktuator lunak yang beroperasi dengan tegangan 75 persen lebih rendah daripada versi saat ini sambil membawa muatan 80 persen lebih banyak. Aktuator lunak ini seperti otot buatan yang dengan cepat mengepakkan sayap robot.

Teknik fabrikasi baru ini menghasilkan otot buatan dengan lebih sedikit cacat, yang secara dramatis memperpanjang umur komponen dan meningkatkan kinerja dan muatan robot.

“Ini membuka banyak peluang di masa depan bagi kami untuk transisi ke elektronika daya di mikrorobot. Orang cenderung berpikir bahwa robot lunak tidak sehebat robot kaku. Kami menunjukkan bahwa robot ini, dengan berat kurang dari satu gram, terbang paling lama dengan kesalahan terkecil selama penerbangan melayang. Pesan yang dibawa pulang adalah bahwa robot lunak dapat melebihi kinerja robot kaku,” kata Kevin Chen, yang merupakan asisten profesor D. Reid Weedon, Jr. ’41 di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer, kepala Soft and Micro Robotics Laboratory di Research Laboratory of Electronics (RLE), dan penulis senior makalah ini.

Rekan penulis Chen termasuk Zhijian Ren dan Suhan Kim, penulis pendamping dan mahasiswa pascasarjana EECS; Xiang Ji, seorang ilmuwan peneliti di EECS; Weikun Zhu, seorang mahasiswa pascasarjana teknik kimia; Farnaz Niroui, asisten profesor di EECS; dan Jing Kong, seorang profesor di EECS dan peneliti utama di RLE. Penelitian ini telah diterima untuk dipublikasikan di Bahan Lanjutan dan termasuk dalam jurnal Bintang baru seri, yang mengakui karya luar biasa dari peneliti awal karir.

Membuat otot

Microrobot persegi panjang, yang beratnya kurang dari seperempat sen, memiliki empat set sayap yang masing-masing digerakkan oleh aktuator lunak. Aktuator seperti otot ini terbuat dari lapisan elastomer yang diapit di antara dua elektroda yang sangat tipis dan kemudian digulung menjadi silinder yang licin. Ketika tegangan diterapkan ke aktuator, elektroda menekan elastomer, dan regangan mekanis itu digunakan untuk mengepakkan sayap.

Semakin luas permukaan yang dimiliki aktuator, semakin sedikit tegangan yang dibutuhkan. Jadi, Chen dan timnya membangun otot buatan ini dengan mengganti lapisan elastomer dan elektroda ultra tipis sebanyak mungkin. Saat lapisan elastomer menjadi lebih tipis, mereka menjadi lebih tidak stabil.

Untuk pertama kalinya, para peneliti mampu membuat aktuator dengan 20 lapisan, yang masing-masing memiliki ketebalan 10 mikrometer (kira-kira sama dengan diameter sel darah merah). Tetapi mereka harus menemukan kembali bagian dari proses fabrikasi untuk sampai ke sana.

Salah satu hambatan utama datang dari proses spin coating. Selama spin coating, elastomer dituangkan ke permukaan datar dan diputar dengan cepat, dan gaya sentrifugal menarik film ke luar untuk membuatnya lebih tipis.

“Dalam proses ini, udara kembali ke elastomer dan menciptakan banyak gelembung udara mikroskopis. Diameter gelembung udara ini hampir 1 mikrometer, jadi sebelumnya kami hanya mengabaikannya. Tetapi ketika Anda mendapatkan lapisan yang lebih tipis dan lebih tipis, efek gelembung udara menjadi lebih kuat dan lebih kuat. Itulah mengapa orang tidak bisa membuat lapisan yang sangat tipis ini secara tradisional,” jelas Chen.

Dia dan rekan-rekannya menemukan bahwa jika mereka melakukan proses penyedotan debu segera setelah pelapisan berputar, saat elastomer masih basah, itu menghilangkan gelembung udara. Kemudian, mereka memanggang elastomer untuk mengeringkannya.

Menghapus cacat ini meningkatkan output daya aktuator lebih dari 300 persen dan secara signifikan meningkatkan masa pakainya, kata Chen.

Para peneliti juga mengoptimalkan elektroda tipis, yang terdiri dari karbon nanotube, gulungan karbon super kuat yang berukuran sekitar 1/50.000 diameter rambut manusia. Konsentrasi yang lebih tinggi dari karbon nanotube meningkatkan output daya aktuator dan mengurangi tegangan, tetapi lapisan padat juga mengandung lebih banyak cacat.

Misalnya, karbon nanotube memiliki ujung yang tajam dan dapat menembus elastomer, yang menyebabkan perangkat menjadi pendek, jelas Chen. Setelah banyak trial and error, para peneliti menemukan konsentrasi yang optimal.

Masalah lain datang dari tahap pengawetan — karena lebih banyak lapisan ditambahkan, aktuator membutuhkan waktu lebih lama dan lebih lama untuk mengering.

“Pertama kali saya meminta siswa saya untuk membuat aktuator multilayer, setelah dia mencapai 12 lapisan, dia harus menunggu dua hari untuk menyembuhkannya. Itu sama sekali tidak berkelanjutan, terutama jika Anda ingin meningkatkan ke lebih banyak lapisan, ”kata Chen.

Mereka menemukan bahwa memanggang setiap lapisan selama beberapa menit segera setelah karbon nanotube ditransfer ke elastomer mengurangi waktu pengeringan karena lebih banyak lapisan ditambahkan.

Performa terbaik di kelasnya

Setelah menggunakan teknik ini untuk membuat otot buatan 20 lapis, mereka mengujinya dengan versi enam lapis sebelumnya dan aktuator kaku yang canggih.

Selama eksperimen lepas landas, aktuator 20-lapisan, yang membutuhkan kurang dari 500 volt untuk beroperasi, mengerahkan daya yang cukup untuk memberi robot rasio angkat-terhadap-berat 3,7 banding 1, sehingga bisa membawa barang yang hampir tiga kali beratnya. .

Mereka juga mendemonstrasikan penerbangan melayang 20 detik, yang menurut Chen adalah yang terpanjang yang pernah dicatat oleh robot sub-gram. Robot melayang mereka mempertahankan posisinya lebih stabil daripada yang lain. Aktuator 20-lapisan masih bekerja dengan lancar setelah digerakkan selama lebih dari 2 juta siklus, jauh melampaui masa pakai aktuator lainnya.

“Dua tahun lalu, kami menciptakan aktuator paling padat daya dan hampir tidak bisa terbang. Kami mulai bertanya-tanya, bisakah robot lunak bersaing dengan robot kaku? Kami mengamati satu demi satu cacat, jadi kami terus bekerja dan kami memecahkan satu demi satu masalah fabrikasi, dan sekarang kinerja aktuator lunak sedang mengejar. Mereka bahkan sedikit lebih baik daripada yang kaku dan canggih. Dan masih ada beberapa proses fabrikasi dalam ilmu material yang belum kita pahami. Jadi, saya sangat bersemangat untuk terus menurunkan tegangan aktuasi,” ujarnya.

Chen berharap dapat berkolaborasi dengan Niroui untuk membangun aktuator di ruangan yang bersih di MIT.nano dan memanfaatkan teknik fabrikasi nano. Sekarang, timnya terbatas pada seberapa tipis mereka dapat membuat lapisan karena debu di udara dan kecepatan spin coating maksimum. Bekerja di ruangan yang bersih menghilangkan masalah ini dan memungkinkan mereka untuk menggunakan metode, seperti doctor blading, yang lebih tepat daripada spin coating.

Sementara Chen senang memproduksi lapisan aktuator 10 mikrometer, harapannya adalah mengurangi ketebalan menjadi hanya 1 mikrometer, yang akan membuka pintu bagi banyak aplikasi untuk robot berukuran serangga ini.

Ditulis oleh Adam Zewe

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts