Roboti ve velikosti hmyzu vydávají světlo při letu

Tým výzkumníků z Massachusettského technologického institutu se inspiroval světluškami a vytvořil měkké akční členy, které mohou vydávat světlo v různých barvách nebo vzorech při letu. Umělé svaly ovládají křídla létajících robotů a rozsvítí se, když jsou v letovém režimu. Tento nový přístup poskytuje inovativní způsob, jak sledovat létající roboty, a může jim pomoci komunikovat.

Nový výzkum byl zveřejněn v IEEE Robotics and Automation Letters.

Elektroluminescentní měkké umělé svaly by mohly být použity pro různé aplikace. Například roboti by mohli hrát roli v misi hledání a záchrany, kde by mohli najít přeživší a signalizovat ostatním robotům o pomoc.

Sledování a umožnění komunikace

Mikroskopické roboty váží jen málo více než papírová sponka, a jejich schopnost vydávat světlo by jim mohla pomoci létat samostatně mimo laboratorní prostředí. Kvůli jejich hmotnosti nemohou roboti nést žádné senzory, což znamená, že výzkumníci museli použít infračervené kamery, které mají problémy venku. Nicméně, tým přišel s novou metodou, jak je sledovat, a to pomocí světla, které vydávají, a tří kamer chytrých telefonů.

Kevin Chen je D. Reid Weedon, Jr. asistent profesora na katedře elektrotechniky a počítačových věd (EECS), vedoucí laboratoře Soft a Micro Robotics Laboratory v Research Laboratory of Electronics (RLE) a hlavní autor článku.

“Pokud si myslíte na velké roboty, mohou komunikovat pomocí mnoha různých nástrojů – Bluetooth, bezdrátová technologie, všechny tyto druhy věcí. Ale pro malé, energeticky omezené roboty, musíme přemýšlet o nových způsobech komunikace. To je velký krok směrem k létání těchto robotů v venkovních prostředích, kde nemáme dobře naladěný, špičkový systém sledování pohybu,” říká Chen.

Činnost mikrorobotů

Tým vložil miniaturní elektroluminescentní částice do umělého svalu, což přidalo pouze 2,5 procenta hmotnosti bez vlivu na letový výkon robota.

Skupina výzkumníků dříve vyvinula novou výrobní techniku pro stavbu měkkých akčních členů, které pohánějí křídla robota. Jsou vytvořeny střídáním tenkých vrstev elastomeru a elektrod z uhlíkových nanotrubic ve sloupci, než jsou válcovány do měkkého válce. Po aplikaci napětí na válec elektrody stlačí elastomer, a toto napětí způsobí, že křídla robotu budou bít.

Pro vytvoření zářícího akčního členu tým umístil elektroluminescentní částice zinku do elastomeru, ale to vyžadovalo nějakou práci.

Výzkumníci museli nejdříve vytvořit elektrodu, která by neblokovala světlo. To udělali pomocí vysoce průhledných uhlíkových nanotrubic, které umožňují světlu projít. I s těmito nanotrubkami částice zinku stále vyžadovaly velmi silné a vysoké frekvenční elektrické pole, aby svítily. Elektrostatické pole vzrušuje elektrony v částicích zinku, což způsobí, že tyto částice vydávají subatomické částice světla, nebo fotony. Silné elektrické pole bylo poté vytvořeno pomocí vysokého napětí v měkkém akčním členu, a bylo použito k pohánění robota na vysoké frekvenci. Tento proces umožnil částicím svítit.

“Tradičně jsou elektroluminescentní materiály velmi energeticky náročné, ale v jistém smyslu získáme tuto elektroluminiscenci zdarma, protože prostě používáme elektrické pole na frekvenci, kterou potřebujeme pro let. Nemusíme žádné nové akční členy, žádné nové dráty, nebo cokoliv jiného. Stačí pouze asi 3 procenta více energie, aby světlo svítilo,” říká Chen.

Tým zjistil, že přidání částic zinku snížilo kvalitu akčního členu, takže byly smíchány pouze do horní vrstvy elastomeru. To způsobilo, že akční člen byl asi o 2,5 procenta těžší, ale mohl vydávat světlo bez vlivu na letový výkon.

“Velmi jsme dbali na to, aby byla zachována kvalita elastomerových vrstev mezi elektrodami. Přidání těchto částic bylo téměř jako přidání prachu do naší elastomerové vrstvy. To vyžadovalo mnoho různých přístupů a hodně testování, ale našli jsme způsob, jak zajistit kvalitu akčního členu,” říká Kim.

Regulací chemické kombinace částic zinku lze změnit barvu světla. Tým vytvořil oranžové, zelené a modré částice, přičemž každý akční člen svítil pevnou barvou.

Tým také umožnil akčním členům vydávat vícebarevné a vzorované světlo umístěním masky na horní vrstvu, přidáním částic zinku a poté vytvrzením akčního členu.

Systém sledování pohybu

Dalším krokem bylo otestovat mechanické vlastnosti akčních členů a měřit intenzitu světla. Provedli letové testy se speciálně navrženým systémem sledování pohybu, přičemž kamery iPhone byly použity k sledování každého elektroluminescentního akčního členu, který sloužil jako aktivní značka. Po detekci každého světla barvy počítačový program sleduje polohu robotů.

“Jsme velmi pyšní na to, jak dobrý je výsledek sledování, ve srovnání se špičkovými systémy. Použili jsme levné hardwarové vybavení, ve srovnání s desítkami tisíc dolarů, které stojí velké systémy sledování pohybu, a výsledky sledování byly velmi blízké,” říká Chen.

Tým se nyní bude snažit vylepšit systém sledování pohybu, aby umožnil sledování robotů v reálném čase, a také se pokusí umožnit mikrorobotům zapnout a vypnout světlo během letu.