Robotter i insektskala udsender lys, når de flyver

Et team af forskere ved Massachusetts Institute of Technology blev inspireret af ildfluer til at skabe bløde aktuatorer, der kan udsende lys i forskellige farver eller mønstre, når de flyver. De kunstige muskler styrer vingerne på de flyvende robotter, og de lyser op, når de er i flytilstand. Denne nye tilgang giver en innovativ måde at spore de flyvende robotter og kan hjælpe dem med at kommunikere. 

Den nye forskning blev offentliggjort i IEEE Robotics and Automation Letters. 

De elektroluminescerende bløde kunstige muskler kan bruges til en række forskellige anvendelser. Robotterne kunne for eksempel spille en rolle i en eftersøgnings- og redningsmission, hvor de kunne finde overlevende og signalere til andre robotter om hjælp. 

Sporing og muliggør kommunikation

Mikroskalarobotterne vejer kun lidt mere end en papirclips, og deres evne til at udsende lys kunne hjælpe dem med at flyve på egen hånd uden for laboratoriemiljøet. På grund af deres vægt kan mikrobotterne ikke bære nogen sensorer, hvilket betyder, at forskere var nødt til at spore dem med infrarøde kameraer, der kæmper udendørs. Holdet har dog fundet på en ny metode til at spore dem ved at bruge det lys, de udsender, og tre smartphone-kameraer. 

Kevin Chen er D. Reid Weedon, Jr. Adjunkt i Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS), leder af Soft and Micro Robotics Laboratory i Research Laboratory of Electronics (RLE), og seniorforfatter af papiret. 

"Hvis du tænker på robotter i stor skala, kan de kommunikere ved hjælp af en masse forskellige værktøjer - Bluetooth, trådløst, alle den slags ting. Men for en lille, kraftbegrænset robot er vi tvunget til at tænke på nye kommunikationsformer. Dette er et stort skridt hen imod at flyve disse robotter i udendørs miljøer, hvor vi ikke har et velafstemt, state-of-the-art bevægelsessporingssystem,” siger Chen.

Får mikrorobotter til at lyse

Holdet indlejrede miniscule elektroluminescerende partikler i de kunstige muskler, som kun tilføjer 2.5 procent mere vægt uden at påvirke robottens flyveydelse. 

Gruppen af ​​forskere har tidligere udviklet en ny fremstillingsteknik til at bygge bløde aktuatorer, der slår robottens vinger. De er skabt ved at veksle ultratynde lag af elastomer og kulstof nanorørelektroder i en stak, før de rulles ind i en squishy cylinder. Efter en spænding er påført cylinderen, klemmer elektroderne elastomeren, og denne belastning får vingerne til at klappe. 

For at skabe den glødende aktuator placerede holdet elektroluminescerende zinksulfatpartikler i elastomeren, men dette krævede noget arbejde. 

Forskerne skulle først skabe en elektrode, der ikke ville blokere lyset. Det gjorde de ved at bruge meget gennemsigtige kulstof nanorør, som tillader lys at passere igennem. Selv med disse nanorør krævede zinkpartiklerne stadig et meget stærkt og højfrekvent elektrisk felt for at lyse op. Elektrofeltet exciterer elektronerne i zinkpartiklerne, hvilket får sidstnævnte til at udsende subatomære partikler af lys eller fotoner. Et stærkt elektrisk felt blev derefter skabt med en høj spænding i den bløde aktuator, og det blev brugt til at drive robotten ved høj frekvens. Denne proces gjorde det muligt for partiklerne at lyse op. 

"Traditionelt er elektroluminescerende materialer meget energisk dyre, men i en vis forstand får vi den elektroluminescens gratis, fordi vi bare bruger det elektriske felt på den frekvens, vi har brug for til at flyve. Vi har ikke brug for ny aktivering, nye ledninger eller noget. Det kræver kun omkring 3 procent mere energi at udstråle lys,” siger Chen.

Holdet erfarede, at tilsætningen af ​​zinkpartikler reducerede kvaliteten af ​​aktuatoren, så de kun blev blandet ind i det øverste elastomerlag. Dette fik aktuatoren til at være omkring 2.5 procent tungere, men den kunne udsende lys uden at påvirke flyveydelsen. 

”Vi lægger stor vægt på at opretholde kvaliteten af ​​elastomerlagene mellem elektroderne. At tilføje disse partikler var næsten som at tilføje støv til vores elastomerlag. Det krævede mange forskellige tilgange og en masse test, men vi fandt på en måde at sikre kvaliteten af ​​aktuatoren,” siger Kim.

Ved at justere den kemiske kombination af zinkpartiklerne kan lysfarven ændres. Holdet skabte orange, grønne og blå partikler, hvor hver aktuator skinnede i en ensfarvet farve. 

Holdet gjorde det også muligt for aktuatorerne at udsende flerfarvet og mønstret lys ved at placere en maske over det øverste lag, tilføje zinkpartikler og derefter hærde aktuatoren. 

Bevægelsessporingssystem

Næste trin var at teste aktuatorernes mekaniske egenskaber og måle lysets intensitet. De kørte flytests med et specielt designet motion-tracking-system, hvor iPhone-kameraer blev brugt til at spore hver elektroluminescerende aktuator, som fungerede som en aktiv markør. Efter at kameraerne har registreret hver lysfarve, sporer et computerprogram robotternes position.

”Vi er meget stolte af, hvor godt sporingsresultatet er, sammenlignet med det nyeste. Vi brugte billig hardware sammenlignet med de titusindvis af dollars, som disse store motion-tracking-systemer kostede, og sporingsresultaterne var meget tætte,” siger Chen.

Holdet vil nu forsøge at forbedre bevægelsessporingssystemet for at muliggøre realtidssporing af robotterne, samt forsøge at gøre det muligt for mikrobotterne at tænde og slukke deres lys under flyvning.