Robuster Fehler

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Hummeln sind ungeschickte Flieger. Es wird geschätzt, dass eine Biene auf Nahrungssuche etwa einmal pro Sekunde mit einer Blume zusammenstößt, wodurch ihre Flügel mit der Zeit beschädigt werden. Trotz vieler kleiner Risse oder Löcher in ihren Flügeln können Hummeln dennoch fliegen.

Flugroboter hingegen sind nicht so belastbar. Stecken Sie Löcher in die Flügelmotoren des Roboters oder hacken Sie einen Teil seines Propellers ab, und die Chancen stehen gut, dass er am Boden bleibt.

Inspiriert von der Widerstandsfähigkeit der Hummeln haben MIT-Forscher Reparaturtechniken entwickelt, die es einem fliegenden Roboter in Käfergröße ermöglichen, schwere Schäden an den Aktuatoren oder künstlichen Muskeln, die seine Flügel antreiben, zu erleiden – und trotzdem effektiv zu fliegen.

Sie optimierten diese künstlichen Muskeln, damit der Roboter Defekte besser isolieren und kleinere Schäden wie winzige Löcher im Aktuator überwinden kann. Darüber hinaus demonstrierten sie eine neuartige Laserreparaturmethode, die dem Roboter helfen kann, sich von schweren Schäden zu erholen, beispielsweise einem Brand, der das Gerät versengt.

Mit ihren Techniken konnte ein beschädigter Roboter seine Flugleistung aufrechterhalten, nachdem einer seiner künstlichen Muskeln von zehn Nadeln gestochen wurde, und der Aktuator war immer noch funktionsfähig, nachdem ein großes Loch in ihn gebrannt worden war. Ihre Reparaturmethoden ermöglichten es einem Roboter, weiter zu fliegen, selbst nachdem die Forscher 20 Prozent seiner Flügelspitze abgeschnitten hatten.

Dadurch könnten Schwärme winziger Roboter besser in der Lage sein, Aufgaben in schwierigen Umgebungen auszuführen, etwa eine Suchmission durch ein einstürzendes Gebäude oder einen dichten Wald durchzuführen.

„Wir haben viel Zeit damit verbracht, die Dynamik weicher, künstlicher Muskeln zu verstehen, und sowohl durch eine neue Herstellungsmethode als auch durch ein neues Verständnis können wir eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Schäden nachweisen, die mit der von Insekten vergleichbar ist“, sagt Kevin Chen, der D . Reid Weedon, Jr. Assistenzprofessor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik (EECS), Leiter des Labors für Soft- und Mikrorobotik im Forschungslabor für Elektronik (RLE) und leitender Autor des aktuellen Artikels Fortschritte. „Wir freuen uns sehr darüber. Aber die Insekten sind uns immer noch überlegen, in dem Sinne, dass sie bis zu 40 Prozent ihrer Flügel verlieren und trotzdem fliegen können. Wir haben noch Nachholbedarf.“

Chen verfasste das Papier zusammen mit den Co-Hauptautoren Suhan Kim und Yi-Hsuan Hsiao, die Doktoranden der EECS sind; Younghoon Lee, ein Postdoc; Weikun „Spencer“ Zhu, ein Doktorand der Fakultät für Chemieingenieurwesen; Zhijian Ren, ein EECS-Doktorand; und Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Professor für EECS am MIT und Mitglied des RLE. Der Artikel erscheint heute in Science Robotics.

Roboterreparaturtechniken

Die winzigen, rechteckigen Roboter, die in Chens Labor entwickelt werden, haben etwa die gleiche Größe und Form wie eine Mikrokassette, obwohl ein Roboter kaum mehr als eine Büroklammer wiegt. Die Flügel an jeder Ecke werden von dielektrischen Elastomeraktoren (DEAs) angetrieben, bei denen es sich um weiche künstliche Muskeln handelt, die mechanische Kräfte nutzen, um die Flügel schnell zu schlagen. Diese künstlichen Muskeln bestehen aus Elastomerschichten, die zwischen zwei hauchdünnen Elektroden eingelegt und dann zu einem weichen Schlauch gerollt werden. Wenn Spannung an die DEA angelegt wird, drücken die Elektroden das Elastomer zusammen, wodurch der Flügel schlägt.

Aber mikroskopisch kleine Mängel können Funken verursachen, die das Elastomer verbrennen und zum Ausfall des Geräts führen. Vor etwa 15 Jahren fanden Forscher heraus, dass sie DEA-Ausfälle aufgrund eines winzigen Defekts verhindern können, indem sie ein physikalisches Phänomen nutzen, das als Selbstreinigung bekannt ist. Bei diesem Vorgang wird durch das Anlegen einer Hochspannung an die DEA die lokale Elektrode um einen kleinen Defekt herum getrennt, wodurch dieser Fehler vom Rest der Elektrode isoliert wird, sodass der künstliche Muskel weiterhin funktioniert.

Chen und seine Mitarbeiter nutzten diesen Selbstreinigungsprozess bei ihren Roboterreparaturtechniken.

Zunächst optimierten sie die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren, aus denen die Elektroden in der DEA bestehen. Kohlenstoffnanoröhren sind superstarke, aber extrem kleine Kohlenstoffrollen. Weniger Kohlenstoffnanoröhren in der Elektrode verbessern die Selbstreinigung, da sie höhere Temperaturen erreichen und leichter verbrennen. Allerdings verringert sich dadurch auch die Leistungsdichte des Aktors.

„Ab einem bestimmten Punkt wird man nicht mehr genug Energie aus dem System herausholen können, aber wir brauchen viel Energie und Kraft, um den Roboter zu fliegen. Wir mussten den optimalen Punkt zwischen diesen beiden Einschränkungen finden – die Selbstreinigungseigenschaft unter der Einschränkung optimieren, dass der Roboter weiterhin fliegen soll“, sagt Chen.

Allerdings versagt selbst eine optimierte DEA, wenn sie schwere Schäden erleidet, etwa ein großes Loch, das zu viel Luft in das Gerät lässt.

Chen und sein Team nutzten einen Laser, um größere Mängel zu beheben. Sie schneiden mit einem Laser vorsichtig die Außenkonturen eines großen Defekts ab, was zu geringfügigen Schäden am Umfang führt. Anschließend können sie mithilfe der Selbstreinigung die leicht beschädigte Elektrode abbrennen und so den größeren Defekt isolieren.

„In gewisser Weise versuchen wir, Operationen an den Muskeln durchzuführen. Aber wenn wir nicht genug Energie verbrauchen, können wir nicht genug Schaden anrichten, um den Defekt zu isolieren. Wenn wir andererseits zu viel Energie verbrauchen, verursacht der Laser schwere Schäden am Aktuator, die nicht behoben werden können“, sagt Chen.

Dem Team wurde schnell klar, dass es bei der „Operation“ an so kleinen Geräten sehr schwierig ist, die Elektrode zu beobachten, um festzustellen, ob ein Defekt erfolgreich isoliert wurde. Aufbauend auf früheren Arbeiten integrierten sie elektrolumineszierende Partikel in den Aktuator. Wenn sie nun Licht scheinen sehen, wissen sie, dass ein Teil des Aktuators betriebsbereit ist, aber dunkle Flecken bedeuten, dass sie diese Bereiche erfolgreich isoliert haben.

Erfolgreicher Flugtest

Nachdem sie ihre Techniken perfektioniert hatten, führten die Forscher Tests mit beschädigten Aktuatoren durch – einige waren von vielen Nadeln gestochen worden, während in andere Löcher gebrannt worden waren. Sie haben gemessen, wie gut der Roboter bei Schlagflügel-, Start- und Schwebeexperimenten funktionierte.

Selbst bei beschädigten DEAs ermöglichten die Reparaturtechniken dem Roboter, seine Flugleistung beizubehalten, wobei Höhen-, Positions- und Lagefehler nur geringfügig von denen eines unbeschädigten Roboters abwichen. Durch eine Laseroperation konnte ein DEA, der irreparabel kaputt gewesen wäre, 87 Prozent seiner Leistung wiederherstellen.

„Ich muss es meinen beiden Studenten überlassen, die beim Fliegen des Roboters viel harte Arbeit geleistet haben. Den Roboter alleine zu fliegen ist sehr schwierig, ganz zu schweigen davon, dass wir ihn jetzt absichtlich beschädigen“, sagt Chen.

Diese Reparaturtechniken machen die winzigen Roboter deutlich robuster, sodass Chen und sein Team nun daran arbeiten, ihnen neue Funktionen beizubringen, etwa das Landen auf Blumen oder das Fliegen im Schwarm. Sie entwickeln auch neue Steuerungsalgorithmen, damit die Roboter besser fliegen können. Sie bringen den Robotern bei, ihren Gierwinkel zu steuern, damit sie einen konstanten Kurs halten können, und ermöglichen es den Robotern, einen winzigen Kreis zu fahren, mit dem längerfristigen Ziel, einen eigenen zu führen Energiequelle.

„Diese Arbeit ist wichtig, weil kleine Flugroboter – und fliegende Insekten! – kollidieren ständig mit ihrer Umgebung. Kleine Windböen können für kleine Insekten und Roboter große Probleme darstellen. Daher brauchen wir Methoden, um ihre Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, wenn wir jemals hoffen, solche Roboter in natürlichen Umgebungen einsetzen zu können“, sagt Nick Gravish, außerordentlicher Professor am Department of Mechanical and Aerospace Engineering der University of California in San Diego. der nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Dieser Artikel zeigt, wie sich sanfte Betätigung und Karosseriemechanik an Schäden anpassen können, und ich denke, das ist ein beeindruckender Fortschritt.“

Diese Arbeit wird teilweise von der National Science Foundation (NSF) und einem MathWorks-Stipendium finanziert.

MIT-Ingenieure haben eine neue Technik entwickelt, die es käfergroßen Flugrobotern ermöglicht, eine beträchtliche Menge an Schaden zu bewältigen und trotzdem zu fliegen, berichtet Andrew Paul für Popular Science. „Die neuen Reparaturtechniken könnten nützlich sein, wenn Flugroboter für Such- und Rettungsmissionen in schwierigen Umgebungen wie dichten Wäldern oder eingestürzten Gebäuden eingesetzt werden“, schreibt Paul.

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