[論文レビュー] An Insect-scale Untethered Laser-powered Jumping Microrobot

Palak Bhushan, Claire J. Tomlin|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2019

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、質量75 mg、寸法17 mm × 6 mm × 14 mmの昆虫サイズで、外部ケーブルを一切使用しないレーザー駆動ジャンプ型マイクロロボットを提案する。オンボードの発電セルを用いて赤外線レーザーエネルギーを収集し、1つの電磁アクチュエータがスプリング機構を磁気ラッチを用いて被動的に荷重および解放することで、8 mmの高さを繰り返しジャンプ可能であり、外部ケーブルなしで1分間に6回のジャンプを達成している。

ABSTRACT

We present the design of an insect-sized jumping microrobot measuring 17mm$ imes$6mm$ imes$14mm and weighing 75 milligrams. The microrobot consumes 6.4mW of power to jump up by 8mm in height. The tethered version of the robot can jump 6 times per minute each time landing perfectly on its feet. The untethered version of the robot is powered using onboard photovoltaic cells illuminated by an external infrared laser source. It is, to the best of our knowledge, the lightest untethered jumping microrobot with onboard power source that has been reported yet.

研究の動機と目的

• 外部電源ケーブルを一切使用せず、繰り返しジャンプ移動が可能な完全にアンタッチドな昆虫サイズマイクロロボットの開発。
• 過去のアンタッチドジャンパーが単回使用のエネルギー源に依存するか、手動での再装填を要するという制限を克服すること。
• オンボードの発電セルと被動的磁気解放機構を用いて、持続的かつ自律的なジャンプを実現すること。
• 1つの電磁アクチュエータでスプリングの荷重と被動的解放を実行することで、制御の複雑性を最小限に抑え、安定的かつ繰り返し可能なジャンプを達成すること。
• 最小限のオンボード電子回路と低消費電力（6.4 mW）で実現可能なレーザー駆動動作の妥当性を実証すること。

提案手法

• マイクロロボットは、たわみによって機械的エネルギーを蓄えるための平らなステンレス鋼スプリングと、T字型のアルミスタンドおよび足部を備えている。
• 12.7 µmのカプトン線がスプリングと電磁コイルで駆動される回転軸を接続し、回転によってスプリングを荷重する。
• 2つの反平行配置のN52ネオジム磁石（直径0.3 mm、高さ0.5 mm）からなる磁気ラッチ機構が、磁気吸引力が上回られた際に被動的に解放を実現する。
• 電磁アクチュエータは低電圧（0.8 V）および低電流（8 mA）で動作し、17 mmのモーメントアームを介して17 µNmのトルクを発生させる。
• オンボードの1 mm × 1 mmの赤外線発電セル（976 nm波長）がレーザーエネルギーを収集し、コイルを駆動する。2つのセルを逆極性で接続することで、双方向駆動が可能になる。
• 外部ソースからの方形波電圧信号（タッチドテスト用）またはレーザー照射（アンタッチド動作用）が、コイルを駆動し、ジャンプ機構をサイクルさせる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロロボットが、オンボードの発電セルによるエネルギー収集と1つの電磁アクチュエータのみを用いて、繰り返しアンタッチドジャンプを実現できるか？
• RQ2 被動的磁気ラッチ機構は、追加の制御電子回路なしに、信頼性高く繰り返し可能にスプリングを解放できるか？
• RQ3 昆虫サイズマイクロロボットで安定的かつ繰り返し可能なジャンプを実現するための最小消費電力はどの程度か？
• RQ4 レーザー駆動動作により、アンタッチドで持続的なジャンプが可能となり、ジャンプ高さと再現性に制限は生じるか？
• RQ5 重心の非対称性を最小限に抑えることで、着地安定性を向上させ、連続ジャンプを可能にする設計はどのように実現されたか？

主な発見

• タッチド設定下で6.4 mWの消費電力で、75 mgの質量で8 mmのジャンプ高を達成した。
• アンタッチド版は、レーザー駆動の発電セルを用いて繰り返しジャンプを実現し、発電セル質量3 mgの追加による性能劣化は測定不能であった。
• タッチドモードでは1分間に6回のジャンプを達成したが、これはスプリングの荷重速度が制限要因であり、機械的消費電力は数十マイクロワットのオーダーであった。
• 磁気ラッチ機構により、7.5 mNの解放力で信頼性高く被動的解放が実現され、追加の制御信号なしに一貫したジャンプ開始が可能であった。
• 低電圧電磁駆動（0.8 V、8 mA）と直接発電セルからの電力供給により、電圧変換回路の必要性が不要であることが実証された。
• 飛行中、ロボットは反時計回りに回転し、着地時に不安定になった。これは重心の非対称性とスプリングの一点支持によるものであり、安定性向上のための設計改善が示唆された。