新的修復技術使微型機器人在為其機翼提供動力的人造肌肉遭受嚴重損壞后能夠恢復飛行性能。

大黃蜂是笨拙的飛行者。據(jù)估計，一只覓食的蜜蜂大約每秒撞一次花，隨著時間的推移，這會損壞它的翅膀。然而，盡管它們的翅膀上有許多微小的裂口或孔洞，大黃蜂仍然可以飛翔。

另一方面，空中機器人的彈性不強。在機器人的機翼馬達上戳個洞，或者砍掉它的一部分螺旋槳，它被停飛的可能性很大。

受大黃蜂堅韌不拔的啟發(fā)，麻省理工學院的研究人員開發(fā)了修復技術，使昆蟲大小的空中機器人能夠承受為其翅膀提供動力的執(zhí)行器或人造肌肉的嚴重損壞，但仍能有效飛行。

他們優(yōu)化了這些人造肌肉，使機器人能夠更好地隔離缺陷并克服微小的損壞，例如致動器上的小孔。此外，他們還展示了一種新穎的激光修復方法，可以幫助機器人從嚴重損壞中恢復，例如燒焦設備的火災。

使用他們的技術，一個受損的機器人在其人造肌肉之一被 10 針刺傷后可以保持飛行水平的性能，并且執(zhí)行器在其上燒出一個大洞后仍然能夠運行。他們的修復方法使機器人即使在研究人員切斷其 20% 的翼尖后仍能繼續(xù)飛行。

這可以使成群的微型機器人能夠更好地在惡劣環(huán)境中執(zhí)行任務，例如在倒塌的建筑物或茂密的森林中執(zhí)行搜索任務。

“我們花了很多時間來了解柔軟的人造肌肉的動力學，并且通過新的制造方法和新的理解，我們可以展示出與昆蟲相當?shù)膿p傷恢復能力，”D 的 Kevin Chen 說。 . Reid Weedon, Jr. 電氣工程與計算機科學系 (EECS) 助理教授，電子研究實驗室 (RLE) 軟微機器人實驗室負責人，這些論文的作者進步。“我們對此感到非常興奮。但昆蟲仍然比我們優(yōu)越，因為它們可以失去高達 40% 的翅膀，但仍能飛行。我們還有一些追趕工作要做?！?/span>

Chen 與 EECS 研究生的共同主要作者 Suhan Kim 和 Yi-Hsuan Hsiao 共同撰寫了這篇論文；Younghoon Lee，博士后；Weikun “Spencer” Zhu，化學工程系研究生；任志堅，EECS研究生；Farnaz Niroui，麻省理工學院 EECS 的 EE Landsman 職業(yè)發(fā)展助理教授和 RLE 的成員。這篇文章今天發(fā)表在Science Robotics上。

機器人維修技術

Chen 實驗室正在開發(fā)的微型矩形機器人的大小和形狀與微盒式磁帶大致相同，但其中一個機器人的重量僅比回形針重一點。每個角上的翅膀由介電彈性體致動器 (DEA) 提供動力，這是一種柔軟的人造肌肉，利用機械力快速拍打翅膀。這些人造肌肉由夾在兩個極薄電極之間的多層彈性體制成，然后卷成柔軟的管子。當向 DEA 施加電壓時，電極會擠壓彈性體，從而拍打機翼。

但是微觀缺陷會產(chǎn)生火花，從而性體并導致設備出現(xiàn)故障。大約 15 年前，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以使用一種稱為自清除的物理現(xiàn)象來防止 DEA 因一個微小缺陷而失敗。在此過程中，向 DEA 施加高壓會斷開小缺陷周圍的局部電極，將故障與電極的其余部分隔離開來，這樣人造肌肉仍然可以工作。

Chen 和他的合作者在他們的機器人維修技術中采用了這種自我清理過程。

首先，他們優(yōu)化了 DEA 中構成電極的碳納米管的濃度。碳納米管是超強但極其微小的碳卷。電極中碳納米管越少，自清除效果越好，因為它會達到更高的溫度并且更容易燒掉。但這也降低了執(zhí)行器的功率密度。

“在某個時刻，你將無法從系統(tǒng)中獲得足夠的能量，但我們需要大量的能量和動力來駕駛機器人。我們必須找到這兩個約束之間的點——在我們?nèi)匀幌Ｍ麢C器人飛行的約束下優(yōu)化自清除特性，”Chen 說。

然而，即使是經(jīng)過優(yōu)化的 DEA，如果遭受嚴重損壞（例如讓過多空氣進入設備的大孔），也會失效。

陳和他的團隊使用激光來克服重大缺陷。他們用激光沿著大缺陷的外輪廓小心地切割，這會在周邊造成輕微損壞。然后，他們可以使用自清潔來燒掉輕微損壞的電極，隔離較大的缺陷。

“在某種程度上，我們正在嘗試對肌肉進行手術。但如果我們沒有使用足夠的功率，那么我們就無法造成足夠的破壞來隔離缺陷。另一方面，如果我們使用過多的功率，激光會對致動器造成無法清除的嚴重損壞，”Chen 說。

該團隊很快意識到，在這種微型設備上“操作”時，很難通過觀察電極來判斷它們是否已成功隔離缺陷。借鑒以前的工作，他們將電致發(fā)光粒子結合到致動器中。現(xiàn)在，如果他們看到有光亮，他們就知道執(zhí)行器的一部分正在運行，但黑色斑點意味著他們成功地隔離了這些區(qū)域。

試飛成功

一旦他們完善了他們的技術，研究人員就對損壞的執(zhí)行器進行了測試——一些執(zhí)行器被許多針刺傷，而另一些則被燒毀了。他們測量了機器人在撲翼、起飛和懸停實驗中的表現(xiàn)。

即使 DEA 損壞，修復技術也能使機器人保持其飛行性能，高度、位置和姿態(tài)誤差與未損壞機器人的偏差僅很小。通過激光手術，原本無法修復的 DEA 能夠恢復其 87% 的性能。

“我必須把它交給我的兩個學生，他們在駕駛機器人時付出了很多努力。獨自駕駛機器人非常困難，更不用說現(xiàn)在我們故意損壞它了，”陳說。

這些修復技術使微型機器人更加堅固，因此 Chen 和他的團隊現(xiàn)在正致力于教它們新的功能，比如降落在花朵上或成群飛行。他們還在開發(fā)新的控制算法，使機器人可以更好地飛行，教機器人控制偏航角以保持恒定的航向，并使機器人能夠攜帶微型電路，其長期目標是攜帶自己的能量源。

“這項工作很重要，因為小型飛行機器人——還有飛行昆蟲！- 不斷與他們的環(huán)境發(fā)生碰撞。小陣風對小昆蟲和機器人來說可能是個大問題。因此，如果我們希望能夠在自然環(huán)境中使用這樣的機器人，我們就需要提高它們的適應力的方法，”加州大學圣地亞哥分校機械與航空航天工程系副教授 Nick Gravish 說，誰沒有參與這項研究。“這篇論文展示了軟驅動和身體力學如何適應損壞，我認為這是向前邁出的令人印象深刻的一步?！?/span>

這項工作部分由美國科學基金會 (NSF) 和 MathWorks 獎學金資助。