Power-Efficient Actuation for Insect-Scale Autonomous Underwater Vehicles

要約

我々は、Very Little Eel-Inspired roBot の新たな進化である VLEIBot++ を紹介します。これは、2 つの 10 mg ベア高仕事密度 (HWD) アクチュエーターによって駆動される 900 mg のスイマーであり、その機能は形状記憶合金の使用に基づいています。
(SMA) ワイヤー。
このタイプのアクチュエータは、空中動作中に平均約 40 mW の電力を消費します。
カスタム構築のプリント基板 (PCB) と 11 mAh 3.7 V 507 mg 単セル リチウムイオン (Li-Ion) バッテリーを使用して、オンボードの電源と計算を VLEIBot++ に統合し、自律水泳を可能にしました。
1回の充電で約20分間使用可能。
このロボットは、最大 18.7 mm/s (0.46 Bl/s) の速度で泳ぐことができ、これまでに開発されたオンボード電源、作動、および計算機能を備えた最初のサブグラムマイクロスイマーです。
残念ながら、一般的な 10 mg ベア SMA ベースのマイクロアクチュエータは、水中で動作する場合に 800 mW 程度の平均電力を必要とするため、VLEIBot++ プロトタイプを作動させるために採用されたアプローチは水中での用途には実行できません。
この問題に対処するために、当社は、同様の電力要件 (平均約 80 mW) と作動性能 (低周波数で約 3 mm) で機能できる新しい 13 mg の電力効率の高い高性能 SMA ベースのマイクロアクチュエータを導入しました。
空気と水。
この設計は、熱システムの熱伝達率を受動的に制御する目的でマイクロアクチュエータを駆動する SMA ワイヤを囲む密閉された柔軟なエア カプセルの使用に基づいています。
さらに、この新しい電力効率の高いカプセル化アクチュエータが機能するには、低電圧の励起電圧 (3 ~ 4 V) とシンプルなパワーエレクトロニクスが必要です。
この論文で紹介された画期的な成果は、昆虫規模の自律型水中移動体 (AUV) の作成に向けた道筋を示しています。

要約(オリジナル)

We present a new evolution of the Very Little Eel-Inspired roBot, the VLEIBot++, a 900-mg swimmer driven by two 10-mg bare high-work density (HWD) actuators, whose functionality is based on the use of shape-memory alloy (SMA) wires. An actuator of this type consumes an average power of about 40 mW during in-air operation. We integrated onboard power and computation into the VLEIBot++ using a custom-built printed circuit board (PCB) and an 11-mAh 3.7-V 507-mg single-cell lithium-ion (Li-Ion) battery, which in conjunction enable autonomous swimming for about 20 min on a single charge. This robot can swim at speeds of up to 18.7 mm/s (0.46 Bl/s) and is the first subgram microswimmer with onboard power, actuation, and computation developed to date. Unfortunately, the approach employed to actuate VLEIBot++ prototypes is infeasible for underwater applications because a typical 10-mg bare SMA-based microactuator requires an average power on the order of 800 mW when operating underwater. To address this issue, we introduce a new 13-mg power-efficient high-performance SMA-based microactuator that can function with similar power requirements (approx. 80 mW on average) and actuation performance (approx. 3 mm at low frequencies) in air and water. This design is based on the use of a sealed flexible air-capsule that encloses the SMA wires that drive the microactuator with the purpose of passively controlling the heat-transfer rate of the thermal system. Furthermore, this new power-efficient encapsulated actuator requires low voltages of excitation (3 to 4 V) and simple power electronics to function. The breakthroughs presented in this paper represent a path towards the creation of insect-scale autonomous underwater vehicles (AUVs).

arxiv情報

著者 Cody R. Longwell,Conor K. Trygstad,Nestor O. Perez-Arancibia
発行日 2024-11-27 02:45:45+00:00
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