Straalmotoren kunnen maximaal 25, 000 losse onderdelen, waardoor regelmatig onderhoud een vervelende taak wordt die per motor meer dan een maand kan duren. Veel onderdelen bevinden zich diep in de motor en kunnen niet worden geïnspecteerd zonder de machine uit elkaar te halen. tijd en kosten toevoegen aan onderhoud. Dit probleem beperkt zich niet alleen tot straalmotoren, of; veel ingewikkeld, dure machines zoals bouwmachines, generatoren, en wetenschappelijke instrumenten vergen grote investeringen van tijd en geld om te inspecteren en te onderhouden.

Onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard University en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een microrobot gemaakt waarvan de elektroadhesieve voetzolen, origami enkelgewrichten, en speciaal ontworpen looppatroon maken het mogelijk om op verticale en ondersteboven geleidende oppervlakken te klimmen, zoals de binnenmuren van een commerciële straalmotor. Het werk wordt gerapporteerd in Wetenschap Robotica .

"Nu deze robots in drie dimensies kunnen verkennen in plaats van alleen heen en weer te bewegen op een plat oppervlak, er is een hele nieuwe wereld waarin ze zich kunnen verplaatsen en waarmee ze zich kunnen bezighouden, " zei eerste auteur Sébastien de Rivaz, een voormalig Research Fellow bij het Wyss Institute en SEAS die nu bij Apple werkt. "Ze zouden op een dag niet-invasieve inspectie van moeilijk bereikbare gebieden van grote machines mogelijk kunnen maken, bedrijven tijd en geld besparen en die machines veiliger maken."

De nieuwe robot, genaamd HAMR-E (Harvard Ambulante Micro-Robot met Elektroadhesie), is ontwikkeld als reactie op een uitdaging die Rolls-Royce aan het Harvard Microrobotics Lab heeft gesteld, die vroeg of het mogelijk zou zijn om een ​​leger van microrobots te ontwerpen en te bouwen die in staat zijn om in delen van zijn straalmotoren te klimmen die ontoegankelijk zijn voor menselijke arbeiders. Bestaande klimrobots kunnen verticale oppervlakken aan, maar problemen ondervindt bij het proberen ondersteboven te klimmen, omdat ze een grote hoeveelheid houdkracht nodig hebben om te voorkomen dat ze vallen.

Het team baseerde HAMR-E op een van zijn bestaande microrobots, HAMR, wiens vier poten hem in staat stellen om op vlakke oppervlakken te lopen en door water te zwemmen. Hoewel het basisontwerp van HAMR-E vergelijkbaar is met HAMR, de wetenschappers moesten een reeks uitdagingen oplossen om HAMR-E ertoe te brengen zich met succes aan de verticale lijn te houden en deze te doorkruisen, omgekeerd, en gebogen oppervlakken die het zou tegenkomen in een straalmotor.

Eerst, ze moesten zelfklevende voetzolen maken die de robot aan het oppervlak zouden houden, zelfs als hij ondersteboven was, maar ook loslaten om de robot te laten "lopen" door zijn voeten op te tillen en te plaatsen. De pads bestaan ​​uit een met polyimide geïsoleerde koperelektrode, die het genereren van elektrostatische krachten tussen de pads en het onderliggende geleidende oppervlak mogelijk maakt. De voetkussentjes kunnen eenvoudig worden losgemaakt en opnieuw worden ingeschakeld door het elektrische veld in en uit te schakelen, die werkt op een spanning die vergelijkbaar is met de spanning die nodig is om de benen van de robot te bewegen, waardoor er weinig extra vermogen nodig is. De elektro-adhesieve voetzolen kunnen een schuifkracht van 5,56 gram en normaalkrachten van 6,20 gram genereren - meer dan genoeg om te voorkomen dat de robot van 1,48 gram naar beneden glijdt of van het klimoppervlak valt. Naast het leveren van hoge kleefkrachten, de pads zijn ontworpen om te kunnen buigen, waardoor de robot op gebogen of oneffen oppervlakken kan klimmen.

De wetenschappers creëerden ook nieuwe enkelgewrichten voor HAMR-E die in drie dimensies kunnen draaien om de rotaties van zijn benen tijdens het lopen te compenseren, waardoor het zijn oriëntatie op zijn klimoppervlak kan behouden. De verbindingen zijn vervaardigd uit gelaagd glasvezel en polyimide, en gevouwen in een origami-achtige structuur waardoor de enkels van alle benen vrij kunnen draaien, en om passief uit te lijnen met het terrein als HAMR-E klimt.

Eindelijk, de onderzoekers creëerden een speciaal looppatroon voor HAMR-E, omdat het te allen tijde drie voetzolen moet hebben die een verticaal of omgekeerd oppervlak raken om te voorkomen dat het valt of wegglijdt. Een voet komt los van het oppervlak, zwaait naar voren, en wordt weer vastgemaakt terwijl de resterende drie poten aan het oppervlak blijven zitten. Tegelijkertijd, een kleine hoeveelheid koppel wordt door de voet diagonaal tegenover de opgeheven voet uitgeoefend om te voorkomen dat de robot tijdens de beenzwaaifase van het klimoppervlak weg beweegt. Dit proces wordt herhaald voor de drie andere benen om een ​​volledige loopcyclus te creëren, en is gesynchroniseerd met het patroon van elektrische veldschakeling op elke voet.

Toen HAMR-E werd getest op verticale en omgekeerde oppervlakken, het was in staat om meer dan honderd stappen achter elkaar te bereiken zonder los te laten. Het liep met snelheden vergelijkbaar met andere kleine klimrobots op omgekeerde oppervlakken en iets langzamer dan andere klimrobots op verticale oppervlakken, maar was aanzienlijk sneller dan andere robots op horizontale oppervlakken, waardoor het een goede kandidaat is voor het verkennen van omgevingen met een verscheidenheid aan oppervlakken in verschillende opstellingen in de ruimte. Het kan ook 180 graden draaien op horizontale oppervlakken.

HAMR-E manoeuvreerde ook met succes rond een gebogen, omgekeerd gedeelte van een straalmotor terwijl het vast blijft zitten, en zijn passieve enkelgewrichten en zelfklevende voetzolen waren in staat om de ruwe en ongelijke kenmerken van het motoroppervlak op te vangen door simpelweg de elektroadhesiespanning te verhogen.

Het team blijft HAMR-E verfijnen, en is van plan om sensoren in zijn benen op te nemen die losgemaakte voetzolen kunnen detecteren en compenseren, die zal helpen voorkomen dat het van verticale of omgekeerde oppervlakken valt. Het laadvermogen van de HAMR-E is ook groter dan zijn eigen gewicht, het openen van de mogelijkheid om een ​​voeding en andere elektronica en sensoren mee te nemen om verschillende omgevingen te inspecteren. Het team onderzoekt ook de mogelijkheden voor het gebruik van HAMR-E op niet-geleidende oppervlakken.

"Deze iteratie van HAMR-E is de eerste en meest overtuigende stap om te laten zien dat deze benadering van een klimrobot op centimeterschaal mogelijk is, en dat dergelijke robots in de toekomst kunnen worden gebruikt om elke vorm van infrastructuur te verkennen, inclusief gebouwen, pijpen, motoren, generatoren, en meer, " zei corresponderende auteur Robert Wood, doctoraat, die een Founding Core Faculty-lid is van het Wyss Institute en de Charles River Professor of Engineering and Applied Sciences bij SEAS.

"Terwijl academische wetenschappers heel goed zijn in het bedenken van fundamentele vragen om in het lab te onderzoeken, soms zijn samenwerkingen nodig met industriële wetenschappers die de problemen uit de echte wereld begrijpen om innovatieve technologieën te ontwikkelen die kunnen worden vertaald in bruikbare producten. We zijn verheugd om deze samenwerkingen hier bij het Wyss Institute te helpen katalyseren, en om de doorbraken te zien die zich voordoen, " zei Wyss oprichter Donald Ingber, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan SEAS.