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 flexibles 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 estos actuadores 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.
Según el profesor adjunto del MIT Kevin Yufeng Chen, «el reto de construir pequeños robots aéreos es inmenso». Los drones de tamaño reducido requieren una construcción fundamentalmente diferente a la de los grandes. Los drones grandes suelen funcionar con motores, pero éstos pierden eficacia a medida que se reducen. Así que, según Chen, para los robots tipo insecto «hay que buscar alternativas».
La principal alternativa hasta ahora ha sido emplear un pequeño actuador rígido construido con materiales cerámicos piezoeléctricos. Aunque la cerámica piezoeléctrica permitió a la primera generación de robots diminutos levantar el vuelo, es bastante frágil. Y eso es un problema cuando se construye un robot que imita a un insecto: los abejorros que buscan comida sufren una colisión cada segundo.
Chen diseñó un dron diminuto más resistente mediante actuadores flexibles en lugar de rígidos y frágiles. Los actuadores flexibles están hechos de finos cilindros de goma recubiertos de nanotubos de carbono. Cuando se aplica un voltaje a los nanotubos producen una fuerza electrostática que aprieta y alarga el cilindro de goma. La repetida elongación y contracción hace que las alas del dron batan… rápidamente.
«Esto nos abre muchas oportunidades en el futuro para pasar a poner electrónica de potencia en el microrobot. La gente tiende a pensar que los robots flexibles 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 es que los robots flexibles pueden superar el rendimiento de los rígidos», dice Kevin Chen, profesor adjunto D. Reid Weedon, Jr. ’41 en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, 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 está incluida en la serie Rising Stars de la revista, que reconoce los trabajos más destacados de los investigadores que inician su carrera.
Fabricando 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 flexible, hecho 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 voltaje 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 las cuales tiene un grosor de 10 micrómetros (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 creando muchas burbujas microscópicas, de apenas un micrómetro de diámetro, así que antes las ignorábamos. Pero cuando las capas son cada vez más finas, el efecto de las burbujas 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, lo hornean 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. 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
Tras usar 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 sub-gramo. 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 flexibles 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 flexibles 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.
Fte. Air Recognition
