Изломанных робошмелей научились возвращать в полёт методом лазерного ремонта

Шмели — неуклюжие летуны. Подсчитано, что добывающий пищу шмель натыкается на цветок примерно раз в секунду, со временем повреждая крылья. Тем не менее, несмотря на множество крошечных разрывов и прорех в крыльях, шмели продолжают свой полёт.

А вот летающие роботы не настолько устойчивы. Вдохновлённые выносливостью шмелей, исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали методы ремонта, которые позволяют крылатому роботу размером с жука эффективно летать после серьёзного повреждения приводов или искусственных мышц, машущих его крыльями. Статью об успехах команды учёных опубликовали в журнале Science Robotics («Научная робототехника»).

Учёные оптимизировали искусственные мышцы, чтобы робот мог лучше преодолевать незначительные повреждения, например крошечные отверстия в приводе. Кроме того, они продемонстрировали новый метод лазерного ремонта, который помогает роботу восстановиться после серьёзных повреждений, даже после пожара.

«Подопытный» повреждённый робот смог поддерживать лётные характеристики после того, как в одну из его искусственных мышц вонзили 10 игл. А привод всё ещё мог работать после того, как в нём прожгли большое отверстие. Новые методы ремонта позволили роботу продолжать летать даже после того, как исследователи отрезали 20% от его крыла.

Открытие поможет сделать рои крошечных роботов способными к задачам в сложных условиях, например, отправиться на поиски в рушащемся здании или густом лесу.


— Кевин Чен, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук.

Крошечный прямоугольный робот, изготовленный в лаборатории Чена, весит чуть больше скрепки. Крылья на каждом углу приводятся в действие приводами из диэлектрического эластомера (DEA). DEA — это мягкие искусственные мышцы, которые используют механику для быстрого взмаха крыльями. Искусственные мышцы сделаны из слоёв эластомера, которые помещаются между двумя электродами толщиной с лезвие бритвы, а затем сворачиваются в мягкую трубку. Когда на DEA подаётся напряжение, электроды сжимают эластомер, который движет крылом.

Но микроскопические дефекты могут вызвать искры, которые сжигают эластомер и выводят устройства из строя. Около 15 лет назад исследователи обнаружили, что они могут предотвратить сбои DEA, используя так называемое самоочищение. При этом физическом явлении подача высокого напряжения на DEA отключает локальный электрод вокруг небольшого дефекта, изолируя его от остальной части, чтобы искусственная мышца продолжала работать.

Чен и его сотрудники использовали этот процесс самоочищения в своих методах ремонта роботов. Они оптимизировали концентрацию углеродных нанотрубок, из которых состоят электроды в DEA. Углеродные нанотрубки — это сверхпрочные, но чрезвычайно крошечные «свитки» углерода. Уменьшение количества углеродных нанотрубок в электроде улучшает самоочищение, поскольку он сильнее нагревается и легче сгорает. Но это также снижает удельную мощность привода.


— Кевин Чен, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук.

Однако даже оптимизированный DEA потерпит неудачу, если получит серьёзные повреждения, например, большое отверстие, через которое в устройство попадает слишком много воздуха. Чен и его команда использовали лазер для устранения основных дефектов. Они аккуратно резали лазером по внешним контурам большого дефекта, нанося незначительные повреждения по периметру. Затем они могли использовать самоочищение, чтобы сжечь слегка повреждённый электрод, изолируя более крупный дефект.

Кевин Чен пояснил, что при ремонте они, в некотором смысле, пытались сделать операцию на мышцах. Его команда вскоре поняла, что при работе с такими крошечными устройствами очень сложно наблюдать за электродом, чтобы увидеть, успешно ли они изолировали дефект. Опираясь на предыдущую работу, учёные внедрили электролюминесцентные частицы в привод. Теперь, если они видят сияние, то понимают, что часть привода работает. А тёмные пятна означают, что они успешно изолировали эти области.

После того как робототехники усовершенствовали свои методы, они провели испытания с повреждёнными приводами — некоторые были проткнуты множеством игл, а в других были прожжены отверстия. Они измерили, насколько хорошо робот показал себя в экспериментах при взмахах крыльями, взлёте и зависании.

С помощью лазерной «хирургии» DEA у полностью неисправного робота смогли восстановить 87% производительности. Новые методы ремонта позволили роботу даже с повреждёнными DEA сохранить свои лётные характеристики. Причём погрешности по высоте, положении и ориентации лишь незначительно отличались от ошибок неповреждённого робота.

Изобретённая технология ремонта сделала крошечных роботов намного более надёжными, поэтому Чен и его команда теперь обучают их новым функциям: посадке на цветы и полёту роем. Они также разрабатывают новые алгоритмы управления, чтобы роботы могли летать лучше. И учат роботов контролировать угол рыскания, чтобы они могли сохранять постоянный курс. А также дают устройствам переносить крошечную электросхему с прицелом на дальнейшие полёты с собственным источником питания.