如今，这些研究人员开创了一种制造技术，能够制造出工作电压比现有版本降低75%、有效载荷却提高80%的软体致动器。这些软体致动器就像人造肌肉，可以快速拍打机器人的翅膀。.
这种新的制造技术生产出的人造肌肉缺陷更少，从而显著延长了部件的使用寿命，提高了机器人的性能和有效载荷。.
“这为我们未来将电力电子元件集成到微型机器人中开辟了许多机会。人们往往认为软体机器人不如刚性机器人。我们证明，这款重量不到一克的机器人是飞行时间最长、悬停误差最小的机器人。这有力地证明了软体机器人可以超越刚性机器人，”电子工程与计算机科学系D. Reid Weedon, Jr. '41助理教授、研究电子实验室（RLE）软体与微型机器人实验室主任、论文资深作者Kevin Chen说道。.
陈的合作者包括：共同资深作者任志坚和金秀涵（EECS研究生）；EECS研究科学家季翔；化学工程研究生朱伟坤；EECS助理教授法尔纳兹·尼鲁伊；以及EECS教授、RLE首席研究员孔静。该研究已被《先进材料》（Advanced Materials）接收发表，并入选该期刊的“明日之星”（Rising Stars）系列，该系列旨在表彰青年研究人员的杰出工作。.
增强肌肉
这款重量不到四分之一便士的矩形微型机器人拥有四组翅膀，每组翅膀都由一个软体致动器驱动。这些类似肌肉的致动器由夹在两层极薄电极之间的多层弹性体构成，并卷成一个柔软的圆柱体。当对致动器施加电压时，电极会压缩弹性体，这种机械张力用于驱动翅膀扇动。.
致动器的表面积越大，所需的张力就越小。因此，陈和他的团队通过尽可能多地交替使用超薄弹性体层和电极来构建这些人工肌肉。随着弹性体层变薄，它们的稳定性也会降低。.
研究人员首次制造出一种由20层组成的致动器，每层厚度为10微米（大约相当于一个红细胞的直径）。但为了实现这一目标，他们不得不重新设计部分制造工艺。.
其中一个主要障碍是旋涂工艺。在旋涂过程中，将弹性体倾倒在平面上并快速旋转，离心力将薄膜向外拉，使其变薄。.
“在这个过程中，空气重新进入弹性体，形成许多微小的气泡。这些气泡的直径只有大约一微米，所以我们过去常常忽略它们。但随着层数变薄，气泡的影响会越来越强。这就是为什么传统上无法将这些层做得这么薄的原因，”陈解释道。.
他和同事们发现，如果在旋转涂覆后，趁弹性体仍湿润时立即进行真空处理，就能消除气泡。然后，他们将弹性体烘烤干燥。.
陈先生表示，消除这些缺陷可使执行器的功率提高 300% 以上，并显著延长其使用寿命。.
研究人员还优化了由碳纳米管制成的薄电极——碳纳米管是一种超强碳线圈，直径约为人类头发丝的五万分之一。碳纳米管浓度越高，致动器的功率越大，电压越低，但密度更高的层也意味着更多的缺陷。.
例如，碳纳米管的尖端很尖锐，会刺穿弹性体，导致器件短路，陈解释道。经过多次试验，研究人员最终找到了最佳浓度。.
固化阶段又出现了另一个问题：随着层数的增加，致动器干燥所需的时间越来越长。.
“我第一次让我的学生制作多层致动器时，他做到第12层时，就得等两天才能固化。这完全不可持续，尤其是如果你想增加层数的话，”陈说。.
他们发现，将碳纳米管转移到弹性体后立即将每一层烘烤几分钟，可以减少随着层数增加而产生的固化时间。.
一流的性能
他们利用这项技术制造出 20 层人工肌肉后，将其与之前的六层版本和最新一代刚性驱动器进行了比较。.
在起飞实验中，这款 20 层致动器只需不到 500 伏的电压即可运行，其产生的功率足以使机器人的升重比达到 3.7 比 1，因此它能够携带重量几乎是自身三倍的物体。.
他们还演示了20秒的悬停，据陈称，这是小组机器人迄今为止记录的最长悬停时间。他们的悬停机器人比其他任何机器人都能更稳定地保持位置。这款20层致动器在驱动超过200万次循环后仍然完美运行，远远超过其他致动器的寿命。.
“两年前，我们研制出了功率密度最高的驱动器，但它几乎飞不起来。我们开始思考，软体机器人是否有可能与刚性机器人竞争。我们不断发现各种缺陷，于是坚持不懈地研究，解决了一个又一个制造难题，如今软体驱动器的性能正在迎头赶上。它们甚至比最新一代的刚性驱动器还要略胜一筹。而且，材料科学领域还有许多制造工艺我们尚未完全掌握。因此，我非常期待能够继续降低驱动应力，”他说道。.
陈教授希望与尼鲁伊合作，在麻省理工学院纳米技术中心（MIT.nano）的洁净室中制造致动器，并利用纳米加工技术。目前，由于空气中的粉尘和最大涂覆速度的限制，他的团队受限于层厚。在洁净室中工作可以消除这个问题，并使他们能够使用比旋涂更精确的方法，例如刮涂法。.
虽然陈对生产出 10 微米厚的致动器层感到高兴，但他希望将厚度减少到 1 微米，这将为这些昆虫大小的机器人打开许多应用的大门。.
这项工作部分得到了麻省理工学院电子研究实验室和 Mathworks 研究生奖学金的支持。.
###
作者：亚当·泽维，麻省理工学院新闻办公室
