Marie Leroy
Les bourdons sont des voleurs maladroits. On estime qu’une abeille butineuse heurte une fleur approximativement une fois par seconde, ce qui endommage ses ailes avec le temps. Pourtant, malgré de nombreuses petites déchirures ou trous dans leurs ailes, les bourdons peuvent toujours voler.
Les robots aériens, en revanche, ne sont pas aussi résistants. Percez des trous dans les moteurs des ailes du robot ou coupez une partie de son hélice, et il y a de fortes odds qu’il soit mis à la terre.
Inspirés par la robustesse des bourdons, les chercheurs du MIT ont développé des approaches de réparation qui permettent à un robotic aérien de la taille d’un insecte de subir de graves dommages aux actionneurs, ou muscular tissues artificiels, qui alimentent ses ailes, mais de voler efficacement.
Ils ont optimisé ces muscle tissue artificiels afin que le robotic puisse mieux isoler les défauts et surmonter les dommages mineurs, comme de minuscules trous dans l’actionneur. De plus, ils ont démontré une nouvelle méthode de réparation au laser qui peut aider le robotic à se remettre de dommages graves, comme un incendie qui brûle l’appareil.
En utilisant leurs tactics, un robotic endommagé pouvait maintenir des performances de niveau de vol après que l’un de ses muscle groups artificiels ait été piqué par 10 aiguilles, et l’actionneur était toujours able de fonctionner après qu’un grand trou y ait été brûlé. Leurs méthodes de réparation ont permis à un robot de continuer à voler même après que les chercheurs aient coupé 20 % de son bout d’aile.
Cela pourrait rendre les essaims de minuscules robots additionally aptes à effectuer des tâches dans des environnements difficiles, comme mener une mission de recherche à travers un bâtiment qui s’effondre ou une forêt dense.
“Nous avons passé beaucoup de temps à comprendre la dynamique des muscular tissues mous artificiels et, grâce à une nouvelle méthode de fabrication et à une nouvelle compréhension, nous pouvons montrer un niveau de résistance aux dommages comparable à celui des insectes. Nous sommes très enthousiastes à ce sujet.. Mais les insectes sont toujours supérieurs à nous, dans le sens où ils peuvent perdre jusqu’à 40 % de leur aile et continuer à voler. Nous avons encore du travail de rattrapage à faire », déclare Kevin Chen, le D. Reid Weedon, Professeur adjoint Jr. au Département de génie électrique et d’informatique (EECS), chef du Laboratoire de robotique douce et micro au Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et auteur principal de l’article sur ces dernières avancées.
Chen a rédigé l’article avec les co-auteurs principaux et les étudiants diplômés de l’EECS Suhan Kim et Yi-Hsuan Hsiao Younghoon Lee, submit-doctorant Weikun “Spencer” Zhu, étudiant diplômé du Département de génie chimique Zhijian Ren, un étudiant diplômé de l’EECS et Farnaz Niroui, professeur adjoint en développement de carrière EE Landsman d’EECS au MIT et membre du RLE. L’article paraîtra dans Science Robotics.
Tactics de réparation de robots
Les minuscules robots rectangulaires développés dans le laboratoire de Chen ont à peu près la même taille et la même forme qu’une bande de microcassette, bien qu’un robot pèse à peine moreover qu’un trombone. Les ailes à chaque coin sont alimentées par des actionneurs en élastomère diélectrique (DEA), qui sont des muscle tissue artificiels mous qui utilisent des forces mécaniques pour battre rapidement les ailes. Ces muscular tissues artificiels sont fabriqués à partir de couches d’élastomère prises en sandwich entre deux électrodes très fines, puis enroulées dans un tube spongieux. Lorsqu’une tension est appliquée au DEA, les électrodes pressent l’élastomère, ce qui fait battre l’aile.
Mais des imperfections microscopiques peuvent provoquer des étincelles qui brûlent l’élastomère et provoquent la défaillance de l’appareil. Il y a environ 15 ans, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient prévenir les défaillances DEA d’un petit défaut en utilisant un phénomène physique connu sous le nom d’auto-nettoyage. Dans ce processus, l’application d’une haute pressure au DEA déconnecte l’électrode locale autour d’un petit défaut, isolant cette défaillance du reste de l’électrode afin que le muscle mass artificiel fonctionne toujours.
Chen et ses collaborateurs ont utilisé ce processus d’auto-nettoyage dans leurs tactics de réparation de robots.
Tout d’abord, ils ont optimisé la concentration de nanotubes de carbone qui composent les électrodes du DEA. Les nanotubes de carbone sont des rouleaux de carbone extrêmement résistants mais extrêmement petits. Avoir moins de nanotubes de carbone dans l’électrode améliore l’auto-nettoyage, vehicle il atteint des températures furthermore élevées et brûle moreover facilement. Mais cela réduit également la densité de puissance de l’actionneur.
“À un selected second, vous ne pourrez furthermore extraire suffisamment d’énergie du système, mais nous avons besoin de beaucoup d’énergie et de puissance pour faire voler le robot. Nous devions trouver le place exceptional entre ces deux contraintes — optimiser le self -propriété de compensation sous la contrainte que nous voulons toujours que le robot vole », dit Chen.
Cependant, même un DEA optimisé échouera s’il subit de graves dommages, comme un grand trou qui laisse entrer trop d’air dans l’appareil.
Chen et son équipe ont utilisé un laser pour surmonter les défauts majeurs. Ils coupent soigneusement le very long des contours extérieurs d’un grand défaut avec un laser, ce qui lead to des dommages mineurs autour du périmètre. Ensuite, ils peuvent utiliser l’auto-nettoyage pour brûler l’électrode légèrement endommagée, en isolant le défaut le in addition significant.
“D’une certaine manière, nous essayons de faire de la chirurgie sur les muscle mass. Mais si nous n’utilisons pas assez de puissance, alors nous ne pouvons pas faire assez de dégâts pour isoler le défaut. En revanche, si nous utilisons trop de puissance, le laser causera de graves dommages à l’actionneur qui ne pourront pas être nettoyés », explique Chen.
L’équipe s’est vite rendu compte que, lorsqu’elle “opérait” sur de si petits appareils, il était très difficile d’observer l’électrode pour voir si elle avait réussi à isoler un défaut. S’appuyant sur des travaux antérieurs, ils ont incorporé des particules électroluminescentes dans l’actionneur. Maintenant, s’ils voient de la lumière briller, ils savent qu’une partie de l’actionneur est opérationnelle, mais des taches sombres signifient qu’ils ont réussi à isoler ces zones.
Succès du check en vol
Une fois qu’ils ont perfectionné leurs techniques, les chercheurs ont effectué des tests avec des actionneurs endommagés – certains avaient été piqués par de nombreuses aiguilles tandis que d’autres avaient des trous brûlés. Ils ont mesuré les performances du robotic dans les expériences de battement d’ailes, de décollage et de vol stationnaire.
Même avec des DEA endommagés, les approaches de réparation ont permis au robotic de conserver ses performances de vol, avec des erreurs d’altitude, de situation et d’attitude qui ne s’écartaient que très légèrement de celles d’un robot non endommagé. Grâce à la chirurgie au laser, un DEA qui aurait été brisé de façon irréparable a pu récupérer 87 % de ses performances.
“Je dois le remettre à mes deux étudiants, qui ont travaillé dur lorsqu’ils pilotaient le robotic. Piloter le robotic seul est très difficile, sans parler du fait que nous l’endommageons intentionnellement”, a déclaré Chen.
Ces methods de réparation rendent les minuscules robots beaucoup in addition robustes, alors Chen et son équipe travaillent maintenant à leur enseigner de nouvelles fonctions, comme atterrir sur des fleurs ou voler dans un essaim. Ils développent également de nouveaux algorithmes de contrôle pour que les robots puissent mieux voler, apprenant aux robots à contrôler leur angle de lacet afin qu’ils puissent garder un cap constant, et permettant aux robots de transporter un petit circuit, avec l’objectif à furthermore extensive terme de transporter le sien. source d’énergie.
Ce travail est financé, en partie, par la Countrywide Science Basis (NSF) et une bourse MathWorks.
