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Un impulso para los robots tipo "bug"

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Cuando se trata de robots, lo más grande no siempre es lo mejor. Algún día, un enjambre de robots del tamaño de un insecto podría polinizar un campo de cultivo o buscar supervivientes entre los escombros de un edificio derrumbado.

Los investigadores del MIT han demostrado la existencia de diminutos drones capaces de desplazarse con una agilidad y resistencia similares a las de los insectos, que podrían llegar a realizar estas tareas. Los actuadores blandos que impulsan estos microrobots son muy duraderos, pero requieren voltajes mucho más altos que los actuadores rígidos de tamaño similar. Los robots de peso pluma no pueden llevar la electrónica de potencia necesaria que les permitiría volar por sí mismos.

Ahora, estos investigadores han sido pioneros en una técnica de fabricación que les permite construir actuadores blandos que funcionan con un 75 por ciento menos de voltaje que las versiones actuales, a la vez que transportan un 80 por ciento más de carga útil. Estos actuadores blandos son como músculos artificiales que baten rápidamente las alas del robot.

Esta nueva técnica de fabricación produce músculos artificiales con menos defectos, lo que prolonga notablemente la vida útil de los componentes y aumenta el rendimiento y la carga útil del robot.

"Esto nos abre muchas oportunidades en el futuro para pasar a poner la electrónica de potencia en el microrobot. La gente tiende a pensar que los robots blandos no son tan capaces como los rígidos. Demostramos que este robot, que pesa menos de un gramo, es el que más tiempo vuela con el menor error durante un vuelo estacionario. El mensaje para llevar a casa es que los robots blandos pueden superar el rendimiento de los robots rígidos", dice Kevin Chen, que es el profesor adjunto D. Reid Weedon, Jr. '41 en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, el jefe del Laboratorio de Robótica Blanda y Micro en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE), y el autor principal del trabajo.

Los coautores de Chen son Zhijian Ren y Suhan Kim, coautores principales y estudiantes de posgrado de EECS; Xiang Ji, científico investigador de EECS; Weikun Zhu, estudiante de posgrado de ingeniería química; Farnaz Niroui, profesor asistente de EECS; y Jing Kong, profesor de EECS e investigador principal de RLE. La investigación ha sido aceptada para su publicación en Advanced Materials y se incluye en la serie Rising Stars de la revista, que reconoce los trabajos más destacados de los investigadores noveles.

Fabricar músculos

El microrobot rectangular, que pesa menos de una cuarta parte de un céntimo, tiene cuatro conjuntos de alas, cada uno de ellos accionado por un actuador blando. Estos actuadores de tipo muscular están hechos de capas de elastómero que se intercalan entre dos electrodos muy finos y luego se enrollan en un cilindro blando. Cuando se aplica un voltaje al actuador, los electrodos aprietan el elastómero y esa tensión mecánica se utiliza para batir el ala.

Cuanta más superficie tenga el actuador, menos tensión se necesitará. Así, Chen y su equipo construyen estos músculos artificiales alternando entre tantas capas ultrafinas de elastómero y electrodos como puedan. A medida que las capas de elastómero son más finas, se vuelven más inestables.

Por primera vez, los investigadores lograron crear un actuador con 20 capas, cada una de ellas de 10 micrómetros de grosor (aproximadamente el diámetro de un glóbulo rojo). Pero tuvieron que reinventar partes del proceso de fabricación para conseguirlo.

Uno de los principales obstáculos fue el proceso de revestimiento por rotación. Durante el recubrimiento por rotación, se vierte un elastómero sobre una superficie plana y se hace girar rápidamente, y la fuerza centrífuga tira de la película hacia fuera para hacerla más fina.

"En este proceso, el aire vuelve a entrar en el elastómero y crea muchas burbujas de aire microscópicas. El diámetro de estas burbujas de aire es de apenas un micrómetro, así que antes las ignorábamos. Pero cuando las capas son cada vez más finas, el efecto de las burbujas de aire es cada vez más fuerte. Por eso tradicionalmente no se han podido hacer estas capas tan finas", explica Chen.

Él y sus colaboradores descubrieron que si realizan un proceso de aspiración inmediatamente después del revestimiento por rotación, mientras el elastómero aún está húmedo, se eliminan las burbujas de aire. Después, hornean el elastómero para secarlo.

La eliminación de estos defectos aumenta la potencia del actuador en más de un 300% y mejora significativamente su vida útil, afirma Chen.

Los investigadores también optimizaron los finos electrodos, que están compuestos por nanotubos de carbono, unos rollos de carbono superresistentes cuyo diámetro es aproximadamente 1/50.000 del de un cabello humano. Una mayor concentración de nanotubos de carbono aumenta la potencia del actuador y reduce el voltaje, pero las capas densas también contienen más defectos.

Por ejemplo, los nanotubos de carbono tienen extremos afilados y pueden perforar el elastómero, lo que provoca un cortocircuito en el dispositivo, explica Chen. Tras muchas pruebas y errores, los investigadores encontraron la concentración óptima.

Otro problema viene de la fase de curado: a medida que se añaden más capas, el actuador tarda más y más en secarse.

"La primera vez que le pedí a mi estudiante que hiciera un actuador multicapa, una vez que llegó a las 12 capas, tuvo que esperar dos días para que se curara. Eso es totalmente insostenible, sobre todo si se quiere ampliar a más capas", dice Chen.

Descubrieron que hornear cada capa durante unos minutos inmediatamente después de transferir los nanotubos de carbono al elastómero reduce el tiempo de curado a medida que se añaden más capas.

El mejor rendimiento de su clase

Después de utilizar esta técnica para crear un músculo artificial de 20 capas, lo probaron frente a su versión anterior de seis capas y a los actuadores rígidos de última generación.

Durante los experimentos de despegue, el actuador de 20 capas, que requiere menos de 500 voltios para funcionar, ejerció la suficiente potencia como para que el robot tuviera una relación peso-elevación de 3,7 a 1, por lo que pudo transportar objetos de casi tres veces su peso.

También demostraron un vuelo estacionario de 20 segundos, que, según Chen, es el más largo jamás registrado por un robot de subgrupo. Su robot flotante mantuvo su posición de forma más estable que cualquiera de los otros. El actuador de 20 capas seguía funcionando sin problemas después de ser accionado durante más de 2 millones de ciclos, superando con creces la vida útil de otros actuadores.

"Hace dos años, creamos el actuador más denso en potencia y apenas podía volar. Empezamos a preguntarnos si los robots blandos podrían competir alguna vez con los rígidos. Observamos un defecto tras otro, así que seguimos trabajando y resolvimos un problema de fabricación tras otro, y ahora el rendimiento de los actuadores blandos se está poniendo al día. Incluso son un poco mejores que los rígidos de última generación. Y todavía hay una serie de procesos de fabricación en la ciencia de los materiales que no entendemos. Así que estoy muy ilusionado por seguir reduciendo la tensión de actuación", afirma.

Chen espera colaborar con Niroui para construir actuadores en una sala blanca del MIT.nano y aprovechar las técnicas de nanofabricación. En la actualidad, su equipo está limitado en cuanto al grosor de las capas debido al polvo del aire y a la velocidad máxima de recubrimiento. Trabajar en una sala limpia elimina este problema y les permitiría utilizar métodos, como el doctor blading, que son más precisos que el spin coating.

Aunque Chen está encantado con la producción de capas de actuadores de 10 micrómetros, su esperanza es reducir el grosor a sólo 1 micrómetro, lo que abriría la puerta a muchas aplicaciones para estos robots del tamaño de un insecto.

Este trabajo cuenta con el apoyo, en parte, del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y de una beca de posgrado de Mathworks.

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Escrito por Adam Zewe, Oficina de Noticias del MIT

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