Les bourdons sont des voleurs maladroits. On estime qu’une abeille butineuse heurte une fleur environ une fois par seconde, ce qui endommage ses ailes avec le temps. Pourtant, malgré de nombreuses petites déchirures ou trous dans leurs ailes, les bourdons peuvent toujours voler.
Les robots aériens, en revanche, ne sont pas aussi résistants. Percez des trous dans les moteurs des ailes du robot ou coupez une partie de son hélice, et il y a de fortes chances qu’il soit mis à la terre.
Inspirés par la robustesse des bourdons, les chercheurs du MIT ont développé des techniques de réparation qui permettent à un robot aérien de la taille d’un insecte de subir de graves dommages aux actionneurs, ou muscles artificiels, qui alimentent ses ailes, mais de voler efficacement.
Ils ont optimisé ces muscles artificiels afin que le robot puisse mieux isoler les défauts et surmonter les dommages mineurs, comme de minuscules trous dans l’actionneur. De plus, ils ont démontré une nouvelle méthode de réparation au laser qui peut aider le robot à se remettre de dommages graves, comme un incendie qui brûle l’appareil.
En utilisant leurs techniques, un robot endommagé pouvait maintenir des performances de niveau de vol après que l’un de ses muscles artificiels ait été piqué par 10 aiguilles, et l’actionneur était toujours capable de fonctionner après qu’un grand trou y ait été brûlé. Leurs méthodes de réparation ont permis à un robot de continuer à voler même après que les chercheurs aient coupé 20 % de son bout d’aile.
Cela pourrait rendre les essaims de minuscules robots plus aptes à effectuer des tâches dans des environnements difficiles, comme mener une mission de recherche à travers un bâtiment qui s’effondre ou une forêt dense.
« Nous avons passé beaucoup de temps à comprendre la dynamique des muscles mous artificiels et, grâce à une nouvelle méthode de fabrication et à une nouvelle compréhension, nous pouvons montrer un niveau de résistance aux dommages comparable à celui des insectes. Nous sommes très enthousiastes à ce sujet. . Mais les insectes sont toujours supérieurs à nous, dans le sens où ils peuvent perdre jusqu’à 40 % de leur aile et continuer à voler. Nous avons encore du travail de rattrapage à faire », déclare Kevin Chen, le D. Reid Weedon, Professeur adjoint Jr. au Département de génie électrique et d’informatique (EECS), chef du Laboratoire de robotique douce et micro au Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et auteur principal de l’article sur ces dernières avancées.
Chen a rédigé l’article avec les co-auteurs principaux et les étudiants diplômés de l’EECS Suhan Kim et Yi-Hsuan Hsiao ; Younghoon Lee, post-doctorant ; Weikun « Spencer » Zhu, étudiant diplômé du Département de génie chimique ; Zhijian Ren, un étudiant diplômé de l’EECS ; et Farnaz Niroui, professeur adjoint en développement de carrière EE Landsman d’EECS au MIT et membre du RLE. L’article paraîtra dans Robotique scientifique.
Techniques de réparation de robots
Les minuscules robots rectangulaires développés dans le laboratoire de Chen ont à peu près la même taille et la même forme qu’une bande de microcassette, bien qu’un robot pèse à peine plus qu’un trombone. Les ailes à chaque coin sont alimentées par des actionneurs en élastomère diélectrique (DEA), qui sont des muscles artificiels mous qui utilisent des forces mécaniques pour battre rapidement les ailes. Ces muscles artificiels sont fabriqués à partir de couches d’élastomère prises en sandwich entre deux électrodes très fines, puis enroulées dans un tube spongieux. Lorsqu’une tension est appliquée au DEA, les électrodes pressent l’élastomère, ce qui fait battre l’aile.
Mais des imperfections microscopiques peuvent provoquer des étincelles qui brûlent l’élastomère et provoquent la défaillance de l’appareil. Il y a environ 15 ans, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient prévenir les défaillances DEA d’un petit défaut en utilisant un phénomène physique connu sous le nom d’auto-nettoyage. Dans ce processus, l’application d’une haute tension au DEA déconnecte l’électrode locale autour d’un petit défaut, isolant cette défaillance du reste de l’électrode afin que le muscle artificiel fonctionne toujours.
Chen et ses collaborateurs ont utilisé ce processus d’auto-nettoyage dans leurs techniques de réparation de robots.
Tout d’abord, ils ont optimisé la concentration de nanotubes de carbone qui composent les électrodes du DEA. Les nanotubes de carbone sont des rouleaux de carbone extrêmement résistants mais extrêmement petits. Avoir moins de nanotubes de carbone dans l’électrode améliore l’auto-nettoyage, car il atteint des températures plus élevées et brûle plus facilement. Mais cela réduit également la densité de puissance de l’actionneur.
« À un certain moment, vous ne pourrez plus extraire suffisamment d’énergie du système, mais nous avons besoin de beaucoup d’énergie et de puissance pour faire voler le robot. Nous devions trouver le point optimal entre ces deux contraintes — optimiser le self -propriété de compensation sous la contrainte que nous voulons toujours que le robot vole », dit Chen.
Cependant, même un DEA optimisé échouera s’il subit de graves dommages, comme un grand trou qui laisse entrer trop d’air dans l’appareil.
Chen et son équipe ont utilisé un laser pour surmonter les défauts majeurs. Ils coupent soigneusement le long des contours extérieurs d’un grand défaut avec un laser, ce qui cause des dommages mineurs autour du périmètre. Ensuite, ils peuvent utiliser l’auto-nettoyage pour brûler l’électrode légèrement endommagée, en isolant le défaut le plus important.
« D’une certaine manière, nous essayons de faire de la chirurgie sur les muscles. Mais si nous n’utilisons pas assez de puissance, alors nous ne pouvons pas faire assez de dégâts pour isoler le défaut. En revanche, si nous utilisons trop de puissance, le laser causera de graves dommages à l’actionneur qui ne pourront pas être nettoyés », explique Chen.
L’équipe s’est vite rendu compte que, lorsqu’elle « opérait » sur de si petits appareils, il était très difficile d’observer l’électrode pour voir si elle avait réussi à isoler un défaut. S’appuyant sur des travaux antérieurs, ils ont incorporé des particules électroluminescentes dans l’actionneur. Maintenant, s’ils voient de la lumière briller, ils savent qu’une partie de l’actionneur est opérationnelle, mais des taches sombres signifient qu’ils ont réussi à isoler ces zones.
Succès du test en vol
Une fois qu’ils ont perfectionné leurs techniques, les chercheurs ont effectué des tests avec des actionneurs endommagés – certains avaient été piqués par de nombreuses aiguilles tandis que d’autres avaient des trous brûlés. Ils ont mesuré les performances du robot dans les expériences de battement d’ailes, de décollage et de vol stationnaire.
Même avec des DEA endommagés, les techniques de réparation ont permis au robot de conserver ses performances de vol, avec des erreurs d’altitude, de position et d’attitude qui ne s’écartaient que très légèrement de celles d’un robot non endommagé. Grâce à la chirurgie au laser, un DEA qui aurait été brisé de façon irréparable a pu récupérer 87 % de ses performances.
« Je dois le remettre à mes deux étudiants, qui ont travaillé dur lorsqu’ils pilotaient le robot. Piloter le robot seul est très difficile, sans parler du fait que nous l’endommageons intentionnellement », a déclaré Chen.
Ces techniques de réparation rendent les minuscules robots beaucoup plus robustes, alors Chen et son équipe travaillent maintenant à leur enseigner de nouvelles fonctions, comme atterrir sur des fleurs ou voler dans un essaim. Ils développent également de nouveaux algorithmes de contrôle pour que les robots puissent mieux voler, apprenant aux robots à contrôler leur angle de lacet afin qu’ils puissent garder un cap constant, et permettant aux robots de transporter un petit circuit, avec l’objectif à plus long terme de transporter le sien. source d’énergie.
Ce travail est financé, en partie, par la National Science Foundation (NSF) et une bourse MathWorks.
