[논문 리뷰] An Insect-scale Untethered Laser-powered Jumping Microrobot

Palak Bhushan, Claire J. Tomlin|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 08.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 75 mg의 무게와 17 mm × 6 mm × 14 mm 크기의 곤충 크기의 풀리스 레이저 구동 점프 마이크로로봇을 제시한다. 이 로봇은 적외선 레이저 에너지를 수확하기 위해 내장된 광전지 세포를 사용하며, 단일 전자기 액추에이터를 통해 스프링 메커니즘을 수동적으로 자석 락킹 방식으로 충전하고 해제함으로써 8 mm 높이의 반복 점프를 가능하게 하며, 외부 터널링 없이 분당 6회 점프를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 전원 케이블이 없는 완전히 풀리스인 곤충 크기의 마이크로로봇을 개발하여 반복적인 점프 이동을 가능하게 한다.
• 이전의 풀리스 점프 로봇들이 단일 사용 에너지원에 의존하거나 수동 재장전이 필요로 하는 한계를 극복한다.
• 내장된 광전지 세포와 수동 자석 방출 메커니즘을 통해 지속적이고 자율적인 점프를 가능하게 한다.
• 단일 전자기 액추에이터를 사용해 스프링 충전과 수동 해제를 동시에 구현함으로써 제어 복잡도를 최소화하고 안정적이고 반복 가능한 점프를 달성한다.
• 최소한의 내장 전자 회로와 낮은 전력 소비(6.4 mW)로도 레이저 구동 작동의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 마이크로로봇은 평면형 스테인리스 스프링과 T자형 알루미늄 스탠드 및 발을 이용해 굴곡을 통해 기계적 에너지를 저장한다.
• 12.7 µm 두께의 카프론 루프가 스프링을 전자기 코ils에 연결된 회전축에 고정하여, 코ils의 회전을 통해 스프링을 충전한다.
• 두 개의 반대 방향으로 배열된 N52 네odym 자석(직경 0.3 mm, 높이 0.5 mm)으로 구성된 자석 락킹 메커니즘이 자기력이 극복될 때 수동으로 해제된다.
• 전자기 액추에이터는 저전압(0.8 V) 및 저전류(8 mA)에서 작동하도록 설계되었으며, 17 mm 길이의 레버 암을 통해 17 µNm의 토크를 생성한다.
• 내장된 1 mm × 1 mm 크기의 적외선 광전지 세포(976 nm 파장)가 레이저 에너지를 수확하여 코ils를 구동하며, 양방향 액추에이션을 위해 두 개의 세포를 반대 극성으로 연결한다.
• 외부 소스에서 발생하는 정현파 전압 신호(터널링 테스트용) 또는 레이저 조명(풀리스 작동용)을 통해 코일을 구동하고 점프 메커니즘의 사이클을 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내장된 광전지 에너지 수확과 단일 전자기 액추에이터만을 사용하여 마이크로로봇이 반복적이고 풀리스 점프를 수행할 수 있는가?
• RQ2 수동 자석 락킹 메커니즘이 추가 제어 전자회로 없이 신뢰성 있고 반복 가능한 스프링 해제를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 곤충 크기의 마이크로로봇에서 안정적이고 반복 가능한 점프를 달성하기 위해 필요한 최소 전력 소비는 얼마인가?
• RQ4 레이저 구동 작동이 터널링 없이 지속적인 점프를 가능하게 하는가? 그 한계는 점프 높이와 반복 가능성 측면에서 어떻게 드러나는가?
• RQ5 중심질량 비대칭을 최소화하기 위해 설계는 어떻게 구성되어 있으며, 이는 착지 안정성 향상과 연속적인 점프를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 터널링 설정에서 마이크로로봇은 75 mg의 질량과 함께 6.4 mW의 전력 소비로 8 mm 높이의 점프를 달성하였다.
• 풀리스 버전은 레이저 구동 광전지 세포를 통해 반복 점프를 성공적으로 수행하였으며, PV 세포 3 mg의 추가 무게로 인한 성능 저하가 측정되지 않았다.
• 터널링 모드에서 마이크로로봇은 분당 6회의 점프를 기록하였으며, 이는 스프링 충전 속도에 의해 제한되었다. 기계적 전력 소비는 수마이크로와트 수준이었다.
• 자석 락킹 메커니즘은 7.5 mN의 해제 힘을 제공하여 추가 제어 신호 없이도 일관된 점프 시작을 가능하게 하였다.
• 저전압 전자기 액추에이터(0.8 V, 8 mA)와 직접 PV 전력 공급 방식이 전압 변환 회로의 필요성을 제거함을 입증하였다.
• 로봇은 비행 중 시계 반대 방향으로 회전하며 착지 시 불안정성을 유발하였다. 이는 중심질량 비대칭성과 단일 지점에서의 스프링 지지로 인한 것으로 분석되어, 안정성 향상을 위한 설계 개선이 필요하다.