Bumbari su nespretni letači. Procenjuje se da pčela koja traži hranu naleti na cvet otprilike jednom u sekundi, što joj vremenom ošteti krila. Ipak, uprkos tome što imaju mnogo sitnih rascepa ili rupa na svojim krilima, bumbari i dalje mogu da lete.
Vazdušni roboti, s druge strane, nisu toliko otporni. Probušite rupe u motorima krila robota ili odsecite deo njegovog propelera, a šanse su prilično dobre da će biti uzemljen.
Inspirisani izdržljivošću bumbara, istraživači sa MIT-a razvili su tehnike popravke koje omogućavaju vazdušnom robotu veličine buba da izdrži ozbiljna oštećenja aktuatora ili veštačkih mišića koji pokreću njegova krila – ali da i dalje efikasno leti.
Optimizirali su ove veštačke mišiće tako da robot može bolje da izoluje defekte i prevaziđe manja oštećenja, poput malih rupa u aktuatoru. Pored toga, demonstrirali su novi metod laserske popravke koji može pomoći robotu da se oporavi od teških oštećenja, kao što je požar koji spaljuje uređaj.
Koristeći njihove tehnike, oštećeni robot je mogao da održi performanse na nivou leta nakon što je jedan od njegovih veštačkih mišića uboden sa 10 igala, a aktuator je i dalje mogao da radi nakon što je u njemu izgorela velika rupa. Njihove metode popravke omogućile su robotu da nastavi da leti čak i nakon što su mu istraživači odsekli 20% vrha krila. Istraživači sa MIT-a razvili su otporne veštačke mišiće koji mogu da omoguće vazdušnim robotima od insekata da efikasno oporave performanse leta nakon pretrpljenih ozbiljnih oštećenja. Zasluge: Ji-Hsuan Sjao, Suhan Kim i Jufeng Čen
Ovo bi moglo učiniti rojeve sićušnih robota sposobnijim za obavljanje zadataka u teškim okruženjima, kao što je sprovođenje misije pretrage kroz zgradu koja se ruši ili gustu šumu.
„Proveli smo dosta vremena razumevajući dinamiku mekih, veštačkih mišića i, kako kroz novu metodu izrade, tako i kroz novo razumevanje, možemo pokazati nivo otpornosti na oštećenja koji je uporediv sa insektima. Veoma smo uzbuđeni zbog ovoga . Ali insekti su i dalje superiorniji od nas, u smislu da mogu da izgube do 40% krila i da i dalje lete. Imamo još nešto da nadoknadimo“, kaže Kevin Čen, D. Reid Veedon, Mlađi docent na Katedri za elektrotehniku i računarstvo (EECS), rukovodilac Laboratorije za meku i mikro robotiku u Istraživačkoj laboratoriji za elektroniku (RLE) i stariji autor rada objavljenog u Naučnoj robotici o ovim najnovijim napreduje.
Sićušni, pravougaoni roboti koji se razvijaju u Čenovoj laboratoriji su otprilike iste veličine i oblika kao mikrokasetna traka, iako jedan robot teži jedva više od spajalice. Krila na svakom uglu pokreću dielektrični elastomerni aktuatori (DEA), koji su mekani veštački mišići koji koriste mehaničke sile za brzo zamahnuće krila. Ovi veštački mišići su napravljeni od slojeva elastomera koji su u sendviču između dve elektrode tanke kao žilet, a zatim umotani u mekanu cev. Kada se napon primeni na DEA, elektrode stisnu elastomer, koji zamahne krilo.
Ali mikroskopske nesavršenosti mogu izazvati varnice koje spaljuju elastomer i uzrokuju kvar uređaja. Pre oko 15 godina, istraživači su otkrili da mogu da spreče DEA kvarove zbog jednog malog defekta koristeći fizički fenomen poznat kao samočišćenje. U ovom procesu, primena visokog napona na DEA isključuje lokalnu elektrodu oko malog defekta, izolujući taj kvar od ostatka elektrode tako da veštački mišić i dalje radi.
Čen i njegovi saradnici su koristili ovaj proces samočišćenja u svojim tehnikama popravke robota.
Prvo, optimizovali su koncentraciju ugljeničnih nanocevi koje čine elektrode u DEA. Ugljenične nanocevi su super-jake, ali izuzetno male rolnice ugljenika. Manje ugljeničnih nanocevi u elektrodi poboljšava samočišćenje, pošto dostiže više temperature i lakše sagoreva. Ali ovo takođe smanjuje gustinu snage aktuatora.
„U određenom trenutku nećete moći da izvučete dovoljno energije iz sistema, ali nam je potrebno mnogo energije i snage da upravljamo robotom. Morali smo da pronađemo optimalnu tačku između ova dva ograničenja – optimizujemo samo- čišćenje imovine pod ograničenjem da i dalje želimo da robot leti“, kaže Čen.
Međutim, čak i optimizovani DEA neće uspeti ako pati od ozbiljnog oštećenja, poput velike rupe koja pušta previše vazduha u uređaj.
Čen i njegov tim koristili su laser za prevazilaženje velikih nedostataka. Laserom pažljivo seku po spoljnim konturama velikog defekta, što uzrokuje manja oštećenja oko perimetra. Zatim mogu da koriste samočišćenje da spale blago oštećenu elektrodu, izolujući veći defekt.
„Na neki način pokušavamo da uradimo operaciju na mišićima. Ali ako ne koristimo dovoljno snage, onda ne možemo da napravimo dovoljno štete da izolujemo defekt. S druge strane, ako koristimo previše energije, laser će izazvati ozbiljna oštećenja aktuatora koja se neće moći očistiti“, kaže Čen.
Tim je ubrzo shvatio da je, kada se „operira“ na tako sićušnim uređajima, veoma teško posmatrati elektrodu da bi se videlo da li su uspešno izolovali defekt. Oslanjajući se na prethodni rad, uključili su elektroluminiscentne čestice u aktuator. Sada, ako vide da svetlo sija, znaju da je deo aktuatora u funkciji, ali tamne mrlje znače da su uspešno izolovale te oblasti.
Nakon što su usavršili svoje tehnike, istraživači su sproveli testove sa oštećenim aktuatorima – neke su bile ubodene mnogim iglama, dok su druge imale rupe izgorele u njima. Izmerili su koliko je robot uspeo u eksperimentima sa mahanjem krila, poletanjem i lebdenjem.
Čak i sa oštećenim DEA-ima, tehnike popravke su omogućile robotu da održi performanse leta, uz greške u visini, položaju i stavu koje su samo malo odstupale od onih kod neoštećenog robota. Sa laserskom hirurgijom, DEA koja bi bila pokvarena bez popravke uspela je da povrati 87 procenata svojih performansi.
„Moram da ga predam svojoj dvojici učenika, koji su uradili mnogo napornog rada dok su upravljali robotom. Samo po sebi je veoma teško leteti robotom, a da sada ne spominjemo da ga namerno oštećujemo“, kaže Čen.
Ove tehnike popravke čine male robote mnogo robusnijim, tako da Čen i njegov tim sada rade na tome da ih nauče novim funkcijama, poput sletanja na cveće ili letenja u roju. Oni takođe razvijaju nove kontrolne algoritme kako bi roboti mogli bolje da lete, učeći robote da kontrolišu svoj ugao skretanja kako bi mogli da zadrže konstantan kurs, i omogućavajući robotima da nose mali krug, sa dugoročnijim ciljem da nose sopstveni izvor napajanja.
