Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts han desarrollado una nueva técnica de fabricación que permite la producción de actuadores blandos de bajo voltaje, alta densidad de energía y alta resistencia para microrobots aéreos. Los músculos artificiales mejoran la carga útil del robot y le permiten lograr el mejor rendimiento de vuelo estacionario de su clase.
Músculos artificiales con menos defectos
Los actuadores blandos funcionan con un voltaje un 75 % más bajo que las versiones actuales y transportan un 80 % más de carga útil. Los músculos artificiales que se producen mediante la técnica de fabricación también tienen menos defectos, lo que prolonga la vida útil de los componentes.
Kevin Chen es profesor asistente de D. Reid Weedon, Jr. ’41 en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación. También es el jefe del Laboratorio de Robótica Suave y Micro en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y autor principal de la investigación.
“Esto abre muchas oportunidades en el futuro para que hagamos la transición y pongamos electrónica de potencia en el microrobot. La gente tiende a pensar que los robots blandos no son tan capaces como los rígidos. Demostramos que este robot, que pesa menos de un gramo, vuela durante más tiempo con el menor error durante un vuelo estacionario. El mensaje final es que los robots blandos pueden superar el rendimiento de los rígidos”, dice Chen.
La investigación fue publicada en Materiales avanzados.
El robot rectangular pesa menos de un cuarto de centavo y tiene cuatro conjuntos de alas, cada una de las cuales es impulsada por un actuador suave. Los actuadores similares a músculos consisten en capas de elastómero que se asientan entre dos electrodos delgados. Cuando se aplica voltaje al actuador, los electrodos aprietan el elastómero, lo que genera una tensión mecánica que agita el ala.
El equipo pudo crear un actuador con 20 capas, cada una de 10 micrómetros de espesor.
Proceso de recubrimiento por rotación
Uno de los principales obstáculos que enfrentó el equipo fue el proceso de recubrimiento por rotación, que consiste en verter un elastómero sobre una superficie plana y rotarlo rápidamente. La fuerza centrífuga hace que la película se tire hacia afuera para volverse más delgada.
“En este proceso, el aire regresa al elastómero y crea muchas burbujas de aire microscópicas. El diámetro de estas burbujas de aire es de apenas 1 micrómetro, por lo que anteriormente simplemente las ignorábamos. Pero cuando obtienes capas cada vez más delgadas, el efecto de las burbujas de aire se vuelve más y más fuerte. Tradicionalmente, esa es la razón por la que la gente no ha podido hacer estas capas tan delgadas”, explica Chen.
Al realizar un proceso de vacío justo después del recubrimiento por rotación, se eliminan las burbujas de aire y el elastómero se puede hornear para que se seque.
Al eliminar estos defectos, la potencia de salida del actuador aumenta en más del 300 por ciento y su vida útil mejora significativamente.
Los investigadores utilizaron estas técnicas para crear el músculo artificial de 20 capas, que luego se probó con su versión anterior de sx-layer y actuadores rígidos de última generación.
El actuador de 20 capas, que requiere menos de 500 voltios para funcionar, ejerció suficiente potencia para darle al robot una relación de elevación a peso de 3,7 a 1, lo que significa que podría transportar artículos aproximadamente tres veces su peso.
El equipo también llevó a cabo con éxito un vuelo estacionario de 20 segundos que, según Chen, es el más largo jamás registrado por un robot de subgramas.
“Hace dos años, creamos el actuador con mayor densidad de energía y apenas podía volar. Empezamos a preguntarnos, ¿pueden los robots blandos competir alguna vez con los robots rígidos? Observamos un defecto tras otro, así que seguimos trabajando y resolvimos un problema de fabricación tras otro, y ahora el rendimiento del actuador suave se está poniendo al día. Incluso son un poco mejores que los rígidos de última generación. Y todavía hay una serie de procesos de fabricación en la ciencia de los materiales que no entendemos. Por lo tanto, estoy muy emocionado de continuar reduciendo el voltaje de actuación”, dice.
El equipo ahora está buscando métodos que sean más precisos que el recubrimiento por rotación para hacer que las capas sean más delgadas. Chen espera que el grosor se pueda reducir a solo 1 micrómetro.