麻省理工学院的研究人员开创了一种新的制造技术，使他们能够为空中微型机器人生产低电压、高功率密度、高耐久性的软致动器。功劳:麻省理工学院说到机器人，越大并不总是越好。有一天，一群昆虫大小的机器人可能会为一片庄稼授粉，或者在倒塌的建筑废墟中寻找幸存者。麻省理工学院的研究人员已经展示了小型无人机，它们可以像虫子一样敏捷而灵活地飞行，最终可以完成这些任务。推动这些微型机器人的软致动器非常耐用，但它们比类似尺寸的刚性致动器需要更高的电压。轻量级机器人无法携带必要的电力电子设备，让它们自己飞行。
现在，这些研究人员已经开创了一种制造技术，使他们能够制造比当前版本低75%电压的软致动器，同时承载80%以上的有效载荷。这些柔软的致动器就像人造肌肉，可以快速拍打机器人的翅膀。
这种新的制造技术生产出的人造肌肉缺陷更少，这大大延长了部件的寿命，并提高了机器人的性能和有效载荷。
“这为我们将来过渡到在微型机器人上安装电力电子设备打开了很多机会。人们倾向于认为软机器人不如刚性机器人有能力。我们证明，这个重量不到一克的机器人，在悬停飞行中飞行时间最长，误差最小。“最重要的信息是，软机器人可以超越智能机器人的性能，”凯文·陈(Kevin Chen)说，他是小里德·韦登(D. Reid Weedon，Jr .)41岁的电子工程和计算机科学系助理教授，电子研究实验室(RLE)软和微型机器人实验室的负责人，也是这篇论文的资深作者。
陈的合著者包括任志坚和金，合著者和研究生；EECS的研究科学家吉翔；化学工程研究生朱；法纳兹·尼鲁伊，EECS助理教授；和孔敬，EECS的教授和RLE的首席研究员。该研究已被《先进材料》杂志接受出版，并被收录在《每日星报》的《新星》系列中，该系列表彰早期职业研究人员的杰出作品。
制造肌肉
这种矩形微型机器人的重量不到一便士的四分之一，它有四组翅膀，每组都由一个软致动器驱动。这些肌肉状的致动器是由夹在两个非常薄的电极之间的弹性体层制成的，然后卷成一个柔软的圆柱体。当电压施加到致动器上时，电极挤压弹性体，这种机械应变被用来拍打机翼。
致动器的表面积越大，所需的电压就越小。因此，陈和他的团队通过在尽可能多的超薄弹性体层和电极层之间交替来构建这些人工肌肉。随着弹性体层变薄，它们变得更加不稳定。
研究人员第一次能够制造出一个有20层的致动器，每层的厚度为10微米(大约是一个红细胞的直径)。但是他们必须重新发明制造过程的一部分才能达到目的。
一个主要障碍来自旋涂工艺。在旋涂过程中，将一种弹性体倒在一个平面上并快速旋转，离心力将薄膜向外拉，使其变薄。
“在这个过程中，空气回到弹性体中，并产生大量微观气泡。这些气泡的直径只有1微米，所以之前我们忽略了它们。但是当你越来越薄的时候，气泡的作用就越来越强。这就是为什么传统上人们不能制造这些非常薄的层，”陈解释说。
他和他的合作者发现，如果他们在旋涂后立即进行真空处理，而弹性体仍然是湿的，它会去除气泡。然后，他们烘烤弹性体使其干燥。
陈说，消除这些缺陷可使致动器的功率输出提高300%以上，并显著提高其寿命。
研究人员还优化了由碳纳米管组成的薄电极，碳纳米管是一种超强的碳卷，直径约为人类头发直径的1/5万。更高浓度的碳纳米管增加了致动器的功率输出并降低了电压，但是致密的层也包含更多的缺陷。
陈解释说，例如，碳纳米管有尖锐的末端，可以刺穿弹性体，导致装置短路。经过反复试验，研究人员找到了最佳浓度。
另一个问题来自固化阶段——随着更多的层被添加，致动器需要越来越长的时间来干燥。
“我第一次让我的学生做多层致动器，他一到12层，就要等两天才能治好。这是完全不可持续的，尤其是如果你想扩大到更多的层次，”陈说。
他们发现，在碳纳米管转移到弹性体上后，立即烘烤每一层几分钟，随着更多层的加入，固化时间会缩短。
一流的性能
在使用这种技术制造出20层人造肌肉后，他们用之前的六层版本和最先进的刚性致动器进行了测试。
在升空实验中，这个需要低于500伏电压才能工作的20层致动器发挥了足够的能量，使机器人的升力重量比为3.7比1，这样它就可以携带接近其重量三倍的物品。
他们还演示了20秒的悬停飞行，陈说这是有史以来亚克机器人记录的最长时间。他们的悬停机器人比其他任何机器人都更稳定地保持着自己的位置。20-la yer致动器在被驱动超过200万个周期后仍能平稳工作，远远超过了其他致动器的使用寿命。
“两年前，我们创造了功率密度最大的致动器，它几乎无法飞行。我们开始怀疑，软机器人能和硬机器人竞争吗？我们观察到一个又一个缺陷，所以我们继续工作，解决了一个又一个制造问题，现在软致动器的性能正在赶上来。它们甚至比最先进的死板的还要好一点。在材料科学中还有许多我们不了解的制造过程。所以，我非常兴奋能继续降低驱动电压，”他说。
陈期待着与尼鲁伊合作，在麻省理工学院的一个洁净室中制造致动器。现在，由于空气中的灰尘和最大的旋涂速度，他的团队被限制在他们能制造多薄的层。在一个干净的房间里工作消除了这个问题，并允许他们使用比旋涂更精确的方法，如刮刀涂布。
虽然陈对生产10微米的致动器层感到兴奋，但他希望将厚度减小到只有1微米，这将为这些昆虫大小的机器人的许多应用打开大门。
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