Met een efficiëntere methode voor kunstmatige bestuiving zouden telers in de toekomst groenten en fruit kunnen telen in magazijnen met meerdere verdiepingen, waardoor de opbrengst toeneemt en de schadelijke effecten van land- en tuinbouw op het milieu worden beperkt.
Om dit idee werkelijkheid te laten worden, ontwikkelen MIT-onderzoekers robotinsecten die ooit uit mechanische bijenkorven zouden kunnen zwermen om snel nauwkeurige bestuiving uit te voeren. Maar zelfs de beste robots ter grootte van een insect kunnen niet op tegen natuurlijke bestuivers zoals bijen als het gaat om uithoudingsvermogen, snelheid en wendbaarheid.
Nu hebben de onderzoekers, geïnspireerd door de anatomie van deze natuurlijke bestuivers, hun ontwerp herzien en robots gemaakt die veel wendbaarder en duurzamer zijn dan eerdere versies.
De nieuwe robotjes kunnen ongeveer 1000 seconden zweven, wat meer dan 100 keer langer is dan eerder werd aangetoond. Het robotinsect, dat minder weegt dan een paperclip, kan aanzienlijk sneller vliegen dan vergelijkbare bots terwijl het acrobatische manoeuvres uitvoert zoals dubbele salto's vanuit de lucht.
De vernieuwde robot is ontworpen om de vliegprecisie en beweeglijkheid te verbeteren en tegelijkertijd de mechanische spanning op de kunstmatige vleugelbuigingen te minimaliseren, waardoor snellere manoeuvres, een groter uithoudingsvermogen en een langere levensduur mogelijk zijn.
Het nieuwe ontwerp heeft ook genoeg vrije ruimte zodat de robot kleine batterijen of sensoren kan dragen, waardoor hij zelfstandig zou kunnen vliegen buiten het lab.
"De hoeveelheid vlucht die we in dit onderzoek hebben laten zien is waarschijnlijk langer dan de totale hoeveelheid vlucht die ons vakgebied heeft kunnen verzamelen met deze robotinsecten. Met de verbeterde levensduur en precisie van deze robot komen we dichter bij een aantal zeer leuke toepassingen, zoals geassisteerde bestuiving," zegt Kevin Chen, universitair hoofddocent aan het ministerie van Elektrotechniek en Computerwetenschappen (EECS), hoofd van het Soft and Micro Robotics Laboratory binnen het Research Laboratory of Electronics (RLE), en de senior auteur van een open-access paper over het nieuwe ontwerp.
Chen wordt in de paper bijgestaan door de co-lead auteurs Suhan Kim en Yi-Hsuan Hsiao, die afgestudeerde studenten zijn bij EECS, en door Zhijian Ren, afgestudeerd bij EECS, en Jiashu Huang, een gaststudent. Het onderzoek is verschenen in Science Robotics.
Prestaties verbeteren
Eerdere versies van het robotinsect bestonden uit vier identieke eenheden, elk met twee vleugels, gecombineerd tot een rechthoekig apparaat ter grootte van een microcassette. "Maar er is geen insect dat acht vleugels heeft. In ons oude ontwerp waren de prestaties van elke afzonderlijke eenheid altijd beter dan de geassembleerde robot," zegt Chen. Deze prestatievermindering werd deels veroorzaakt door de plaatsing van de vleugels, die lucht in elkaar bliezen als ze flapperden, waardoor ze minder liftkracht konden genereren.
Het nieuwe ontwerp hakt de robot in tweeën. Elk van de vier identieke units heeft nu een slagvleugel die van het midden van de robot af wijst, waardoor de vleugels worden gestabiliseerd en de liftkracht wordt verhoogd. Met de helft minder vleugels maakt dit ontwerp ook ruimte vrij zodat de robot elektronica kan dragen.
Daarnaast creëerden de onderzoekers complexere transmissies die de vleugels verbinden met de actuators, of kunstmatige spieren, die ze laten flapperen. Deze duurzame overbrengingen, waarvoor langere vleugelscharnieren moesten worden ontworpen, verminderen de mechanische belasting die het uithoudingsvermogen van eerdere versies beperkte.
"Vergeleken met de oude robot kunnen we nu een drie keer zo groot regelkoppel genereren als voorheen, waardoor we zeer geavanceerde en nauwkeurige padzoekende vluchten kunnen maken", aldus Chen. Maar zelfs met deze ontwerpinnovaties is er nog steeds een kloof tussen de beste robotinsecten en het echte werk. Een bij heeft bijvoorbeeld maar twee vleugels, maar kan toch snelle en zeer gecontroleerde bewegingen maken.
"De vleugels van bijen worden nauwkeurig bestuurd door een zeer geavanceerde set spieren. Dat niveau van fine-tuning is iets wat ons echt intrigeert, maar wat we nog niet hebben kunnen namaken," zegt hij.
Minder belasting, meer kracht
De beweging van de vleugels van de robot wordt aangedreven door kunstmatige spieren. Deze kleine, zachte actuatoren zijn gemaakt van lagen elastomeer die tussen twee zeer dunne koolstofnanobuiselektroden zijn geklemd en vervolgens tot een zachte cilinder zijn opgerold. De actuators worden snel samengedrukt en uitgerekt, waardoor mechanische kracht wordt opgewekt die de vleugels doet flapperen.
In eerdere ontwerpen begonnen de apparaten vaak te knikken wanneer de bewegingen van de actuator de extreem hoge frequenties bereikten die nodig waren om te vliegen. Dat vermindert de kracht en efficiëntie van de robot. De nieuwe transmissies remmen deze buigbeweging af, waardoor de kunstmatige spieren minder worden belast en meer kracht kunnen uitoefenen om met de vleugels te klapperen.
Een ander nieuw ontwerp betreft een lang vleugelscharnier dat de torsiestress tijdens de slagvleugelbeweging vermindert. Het maken van het scharnier, dat ongeveer 2 centimeter lang is maar slechts 200 micron in diameter, was een van de grootste uitdagingen.
"Als je ook maar een klein probleem hebt met de uitlijning tijdens het fabricageproces, zal het vleugelscharnier schuin staan in plaats van rechthoekig, wat de kinematica van de vleugel beïnvloedt", aldus Chen.
Na vele pogingen perfectioneerden de onderzoekers een meerstaps lasersnijproces waarmee ze elk vleugelscharnier nauwkeurig konden maken.
Met alle vier de units op hun plaats kan het nieuwe robotinsect meer dan 1000 seconden zweven, wat neerkomt op bijna 17 minuten, zonder dat de vliegprecisie afneemt.
"Toen mijn leerling Nemo die vlucht uitvoerde, zei hij dat het de langzaamste 1000 seconden waren die hij in zijn hele leven had doorgebracht. Het experiment was extreem zenuwslopend," aldus Chen.
De nieuwe robot bereikte ook een gemiddelde snelheid van 35 centimeter per seconde, de snelste vlucht die onderzoekers ooit hebben gerapporteerd, terwijl hij body rolls en dubbele salto's uitvoerde. Hij kan zelfs nauwkeurig een traject volgen dat M-I-T spelt. "We hebben een vlucht laten zien die 100 keer langer is dan iemand anders in het veld heeft kunnen doen, dus dit is een zeer positief resultaat," zegt hij.
Vanaf nu willen Chen en zijn studenten zien hoe ver ze met dit nieuwe ontwerp kunnen gaan, met als doel om langer dan 10.000 seconden te kunnen vliegen. Ze willen ook de precisie van de robots verbeteren, zodat ze kunnen landen en opstijgen in het midden van een bloem. Op de lange termijn hopen de onderzoekers kleine batterijen en sensoren in de luchtrobots te installeren, zodat ze buiten het lab kunnen vliegen en navigeren.
"Dit nieuwe robotplatform is een belangrijk resultaat van onze groep en leidt tot veel spannende richtingen. Het inbouwen van sensoren, batterijen en computermogelijkheden in deze robot zal bijvoorbeeld centraal staan in de komende drie tot vijf jaar," aldus Chen.
Dit onderzoek is gedeeltelijk gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation en een Mathworks Fellowship.