Los abejorros son torpes voladores. Se estima que una abeja que busca alimento choca contra una flor aproximadamente una vez por segundo, lo que daña sus alas con el tiempo. Sin embargo, a pesar de tener muchas pequeñas rasgaduras o agujeros en sus alas, los abejorros todavía pueden volar.

Los robots aéreos, por otro lado, no son tan resistentes. Haga agujeros en los motores de las alas del robot o corte parte de su hélice, y es muy probable que esté conectado a tierra.

Inspirándose en la resistencia de los abejorros, los investigadores del MIT han desarrollado técnicas de reparación que permiten que un robot aéreo del tamaño de un insecto sufra daños severos en los actuadores, o músculos artificiales, que impulsan sus alas, pero aún así volar de manera efectiva.

Optimizaron estos músculos artificiales para que el robot pueda aislar mejor los defectos y superar daños menores, como pequeños agujeros en el actuador. Además, demostraron un método novedoso de reparación por láser que puede ayudar al robot a recuperarse de daños graves, como un incendio que queme el dispositivo.

Usando sus técnicas, un robot dañado podría mantener un rendimiento de nivel de vuelo después de que uno de sus músculos artificiales fuera pinchado con 10 agujas, y el actuador aún podía operar después de que se le quemara un gran agujero. Sus métodos de reparación permitieron que un robot siguiera volando incluso después de que los investigadores cortaran el 20 por ciento de la punta de su ala.

Esto podría hacer que los enjambres de pequeños robots sean más capaces de realizar tareas en entornos difíciles, como realizar una misión de búsqueda a través de un edificio que se derrumba o un bosque denso.

« Pasamos mucho tiempo entendiendo la dinámica de los músculos artificiales blandos y, a través de un nuevo método de fabricación y una nueva comprensión, podemos mostrar un nivel de resistencia al daño comparable al de los insectos. Estamos muy entusiasmados con esto. « Pero los insectos siguen siendo superiores a nosotros, en el sentido de que pueden perder hasta el 40 por ciento de sus alas y seguir volando. Todavía tenemos trabajo por hacer para ponernos al día », dice Kevin Chen, el D. Reid Weedon, Profesor Asistente Jr. en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), jefe del Laboratorio de Robótica Suave y Micro en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE), y autor principal del artículo sobre estos últimos avances.

Chen escribió el artículo con los coautores principales y estudiantes graduados de EECS, Suhan Kim y Yi-Hsuan Hsiao; Younghoon Lee, un postdoctorado; Weikun « Spencer » Zhu, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Química; Zhijian Ren, estudiante de posgrado de EECS; y Farnaz Niroui, profesor asistente de desarrollo profesional de EE Landsman de EECS en el MIT y miembro de la RLE. El artículo aparecerá en Science Robotics.

Técnicas de reparación de robots.

Los diminutos robots rectangulares que se están desarrollando en el laboratorio de Chen tienen aproximadamente el mismo tamaño y forma que una cinta de microcassette, aunque un robot pesa apenas más que un clip. Las alas en cada esquina funcionan con actuadores de elastómero dieléctrico (DEA), que son músculos artificiales suaves que utilizan fuerzas mecánicas para batir rápidamente las alas. Estos músculos artificiales están hechos de capas de elastómero que se intercalan entre dos electrodos muy delgados y luego se enrollan en un tubo blando. Cuando se aplica voltaje al DEA, los electrodos aprietan el elastómero, lo que agita el ala.

Pero las imperfecciones microscópicas pueden generar chispas que queman el elastómero y hacen que el dispositivo falle. Hace unos 15 años, los investigadores descubrieron que podían evitar las fallas de la DEA por un pequeño defecto mediante un fenómeno físico conocido como autolimpieza. En este proceso, la aplicación de alto voltaje al DEA desconecta el electrodo local alrededor de un pequeño defecto, aislando esa falla del resto del electrodo para que el músculo artificial siga funcionando.

Chen y sus colaboradores emplearon este proceso de autolimpieza en sus técnicas de reparación de robots.

Primero, optimizaron la concentración de nanotubos de carbono que componen los electrodos en el DEA. Los nanotubos de carbono son rollos de carbono súper fuertes pero extremadamente pequeños. Tener menos nanotubos de carbono en el electrodo mejora la autolimpieza, ya que alcanza temperaturas más altas y se quema más fácilmente. Pero esto también reduce la densidad de potencia del actuador.

« En cierto punto, no podrá obtener suficiente energía del sistema, pero necesitamos mucha energía y potencia para hacer volar el robot. Tuvimos que encontrar el punto óptimo entre estas dos limitaciones: optimizar el autocontrol ». -limpiar la propiedad bajo la restricción de que todavía queremos que el robot vuele », dice Chen.

Sin embargo, incluso un DEA optimizado fallará si sufre daños graves, como un gran orificio que deja entrar demasiado aire en el dispositivo.

Chen y su equipo usaron un láser para superar defectos importantes. Cortan con cuidado a lo largo de los contornos exteriores de un gran defecto con un láser, lo que causa daños menores alrededor del perímetro. Luego, pueden usar la autolimpieza para quemar el electrodo levemente dañado, aislando el defecto más grande.

« En cierto modo, estamos tratando de hacer una cirugía en los músculos. Pero si no usamos suficiente energía, entonces no podemos hacer suficiente daño para aislar el defecto. Por otro lado, si usamos demasiada energía, el láser causará daños severos al actuador que no se podrán eliminar », dice Chen.

El equipo pronto se dio cuenta de que, al « operar » en dispositivos tan pequeños, es muy difícil observar el electrodo para ver si habían aislado con éxito un defecto. Basándose en trabajos anteriores, incorporaron partículas electroluminiscentes en el actuador. Ahora, si ven luz brillando, saben que parte del actuador está operativa, pero las manchas oscuras significan que aislaron con éxito esas áreas.

Éxito de la prueba de vuelo

Una vez que perfeccionaron sus técnicas, los investigadores realizaron pruebas con actuadores dañados: algunos habían sido pinchados por muchas agujas, mientras que otros tenían agujeros quemados. Midieron qué tan bien se desempeñó el robot en experimentos de aleteo, despegue y vuelo estacionario.

Incluso con los DEA dañados, las técnicas de reparación permitieron que el robot mantuviera su rendimiento de vuelo, con errores de altitud, posición y actitud que se desviaban muy poco de los de un robot no dañado. Con la cirugía láser, un DEA que se habría roto sin posibilidad de reparación pudo recuperar el 87 por ciento de su rendimiento.

« Tengo que dárselo a mis dos alumnos, que trabajaron mucho cuando volaban el robot. Volar el robot por sí solo es muy difícil, sin mencionar ahora que lo estamos dañando intencionalmente », dice Chen.

Estas técnicas de reparación hacen que los diminutos robots sean mucho más robustos, por lo que Chen y su equipo ahora están trabajando para enseñarles nuevas funciones, como aterrizar en flores o volar en un enjambre. También están desarrollando nuevos algoritmos de control para que los robots puedan volar mejor, enseñándoles a controlar su ángulo de guiñada para que puedan mantener un rumbo constante y permitiéndoles llevar un pequeño circuito, con el objetivo a largo plazo de llevar su propio fuente de alimentación.

Este trabajo está financiado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y una beca MathWorks.