Jetmotorer kan ha upp till 25, 000 enskilda delar, att göra regelbundet underhåll till en tråkig uppgift som kan ta över en månad per motor. Många komponenter sitter djupt inne i motorn och kan inte inspekteras utan att ta isär maskinen, lägga tid och kostnader till underhåll. Detta problem är inte bara begränsat till jetmotorer, antingen; många komplicerade, dyra maskiner som byggmaskiner, generatorer, och vetenskapliga instrument kräver stora investeringar av tid och pengar för att inspektera och underhålla.

Forskare vid Harvard University's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har skapat en mikrorobot vars elektrodesektiva fotkuddar, origami fotled, och speciellt konstruerad gånggång gör att den kan klättra på vertikala och upp och nedvända ledande ytor, som de inre väggarna i en kommersiell jetmotor. Arbetet redovisas i Science Robotics .

"Nu när dessa robotar kan utforska i tre dimensioner istället för att bara röra sig fram och tillbaka på en plan yta, det finns en helt ny värld som de kan röra sig i och umgås med, "sa författaren Sébastien de Rivaz, en tidigare forskare vid Wyss Institute och SEAS som nu arbetar på Apple. "De kan en dag möjliggöra icke-invasiv inspektion av svåråtkomliga områden på stora maskiner, sparar företag tid och pengar och gör dessa maskiner säkrare. "

Den nya roboten, kallad HAMR-E (Harvard Ambulatory Micro-Robot with Electroadhesion), utvecklades som svar på en utmaning som utfärdats till Harvard Microrobotics Lab av Rolls-Royce, som frågade om det skulle vara möjligt att designa och bygga en armé av mikrorobotar som kan klättra inuti delar av sina jetmotorer som är otillgängliga för mänskliga arbetare. Befintliga klätterrobotar kan hantera vertikala ytor, men upplever problem när du försöker klättra upp och ner, eftersom de kräver en stor mängd limkraft för att förhindra att de faller.

Teamet baserade HAMR-E på en av sina befintliga mikrorobotar, HAMR, vars fyra ben gör det möjligt att gå på plana ytor och simma genom vatten. Medan den grundläggande designen av HAMR-E liknar HAMR, forskarna var tvungna att lösa en rad utmaningar för att få HAMR-E att framgångsrikt hålla fast vid och korsa vertikalen, omvänd, och böjda ytor som den skulle stöta på i en jetmotor.

Först, de behövde skapa självhäftande fotkuddar som skulle hålla roboten fäst vid ytan även om den var upp och ner, men också släppa för att låta roboten "gå" genom att lyfta och placera fötterna. Kuddarna består av en polyimidisolerad kopparelektrod, vilket möjliggör alstring av elektrostatiska krafter mellan dynorna och den underliggande ledande ytan. Fotkuddarna kan enkelt släppas och kopplas in igen genom att slå på och stänga av det elektriska fältet, som arbetar med en spänning som liknar den som krävs för att röra robotens ben, vilket kräver mycket lite extra effekt. De elektrodrasande fotkuddarna kan generera skjuvkrafter på 5,56 gram och normala krafter på 6,20 gram-mer än tillräckligt för att hindra roboten på 1,48 gram att glida ner eller falla av klättringsytan. Förutom att ge höga vidhäftningskrafter, dynorna var utformade för att kunna böjas, så att roboten kan klättra på böjda eller ojämna ytor.

Forskarna skapade också nya fotleder för HAMR-E som kan rotera i tre dimensioner för att kompensera för rotationer i benen när det går, så att den kan behålla sin orientering på klättringsytan. Fogarna tillverkades av skiktade glasfiber och polyimid, och vikt till en origami-liknande struktur som gör att anklarna på alla benen kan rotera fritt, och att passivt anpassa sig till terrängen när HAMR-E klättrar.

Till sist, forskarna skapade ett speciellt gångmönster för HAMR-E, eftersom den måste ha tre fotkuddar som vidrör en vertikal eller inverterad yta hela tiden för att förhindra att den faller eller glider av. En fot släpper från ytan, svänger framåt, och fäster igen medan de återstående tre fötterna håller sig fästa vid ytan. På samma gång, en liten mängd vridmoment appliceras av foten diagonalt över den lyftade foten för att hindra roboten från att röra sig bort från klättringsytan under bensvängningsfasen. Denna process upprepas för de tre andra benen för att skapa en fullständig gångcykel, och är synkroniserat med mönstret för elektrisk fältomkoppling på varje fot.

När HAMR-E testades på vertikala och inverterade ytor, den kunde uppnå mer än hundra steg i rad utan att lossna. Den gick i hastigheter som var jämförbara med andra små klätterrobotar på inverterade ytor och något långsammare än andra klätterrobotar på vertikala ytor, men var betydligt snabbare än andra robotar på horisontella ytor, vilket gör den till en bra kandidat för att utforska miljöer som har olika ytor i olika arrangemang i rymden. Den kan också utföra 180 graders svängar på horisontella ytor.

HAMR-E manövrerade också framgångsrikt runt en böjd, inverterad del av en jetmotor medan du är ansluten, och dess passiva fotled och självhäftande fotdynor kunde rymma de grova och ojämna egenskaperna hos motorytan helt enkelt genom att öka elektrodhesionsspänningen.

Teamet fortsätter att förfina HAMR-E, och planerar att införliva sensorer i benen som kan upptäcka och kompensera för fristående fotkuddar, vilket hjälper till att förhindra att den faller av från vertikala eller inverterade ytor. HAMR-E:s nyttolast är också större än sin egen vikt, öppnar möjligheten att bära en strömförsörjning och annan elektronik och sensorer för att inspektera olika miljöer. Teamet undersöker också alternativ för att använda HAMR-E på icke-ledande ytor.

"Denna iteration av HAMR-E är det första och mest övertygande steget mot att visa att detta tillvägagångssätt för en centimeterskala klätterrobot är möjligt, och att sådana robotar i framtiden kan användas för att utforska alla slags infrastruktur, inklusive byggnader, rör, motorer, generatorer, och mer, "sade motsvarande författare Robert Wood, Ph.D., som är en grundande kärnfakultetsmedlem i Wyss Institute samt Charles River professor i teknik och tillämpad vetenskap vid SEAS.

"Även om akademiska forskare är mycket bra på att komma med grundläggande frågor att utforska i labbet, ibland krävs samarbete med industriforskare som förstår verkliga problem för att utveckla innovativ teknik som kan översättas till användbara produkter. Vi är glada att kunna katalysera dessa samarbeten här på Wyss Institute, och för att se de genombrott som går fram, "sade Wyss grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, och professor i bioingenjör vid SEAS.