Insekt-skala robotter emitterer lys, når de flyver

Et hold af forskere på Massachusetts Institute of Technology blev inspireret af ildfluer til at skabe bløde aktuatorer, der kan emitere lys i forskellige farver eller mønstre, når de flyver. De kunstige muskler kontrollerer robotternes vinger, og de lyser op, når de er i flyvemodus. 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 anvendes i en række forskellige anvendelser. For eksempel kan robotterne spille en rolle i en redningsaktion, hvor de kan finde overlevende og signalere til andre robotter om hjælp.

Sporing og kommunikation

De mikroskala robotter vejer kun lidt mere end en papirklip, og deres evne til at emitere lys kan hjælpe dem med at flyve på egen hånd uden for laboratoriemiljøet. På grund af deres vægt kan robotterne ikke bære nogen sensorer, hvilket betyder, at forskerne har måttet spore dem med infrarøde kameraer, der kæmper udenfor. Men holdet har fundet en ny metode til at spore dem ved at bruge lyset, de emitterer, og tre smartphone-kameraer.

Kevin Chen er D. Reid Weedon, Jr. Assistant Professor i afdelingen for Elektrisk Ingeniørvidenskab og Datavidenskab (EECS), leder af Soft and Micro Robotics Laboratory i Research Laboratory of Electronics (RLE) og seniorforfatter på artiklen.

“Hvis du tænker på store robotter, kan de kommunikere ved hjælp af mange forskellige værktøjer – Bluetooth, trådløs, alle mulige ting. Men for en lille, strøm-begrænset robot er vi tvunget til at tænke på nye kommunikationsmetoder. Dette er et stort skridt mod at flyve disse robotter i udendørs miljøer, hvor vi ikke har et velafstemt, state-of-the-art sporingssystem,” siger Chen.

Gør mikrorobotterne til at lyse

Holdet indlejrede minuscule elektroluminescerende partikler i de kunstige muskler, hvilket kun tilføjer 2,5 procent mere vægt uden at påvirke robotternes flyvepræstation.

Forskergruppen havde tidligere udviklet en ny fremstillingsmetode til at bygge bløde aktuatorer, der kan flappe robotternes vinger. De er skabt ved at afvikle ultratynne lag af elastomer og kulstofnanorør-elektroder i en stak, før de rulles op i en blød cylinder. Efter at en spænding er tilført cylinderen, trykker elektroderne elastomeret, og denne strækning får vingerne til at flappe.

For at skabe den lysende aktuator placerede holdet elektroluminescerende zinksulfatpartikler i elastomeret, men det krævede noget arbejde.

Forskerne skulle først skabe en elektrode, der ikke blokerer lyset. De gjorde dette ved at bruge højtydende kulstofnanorør, der tillader lyset at passere igennem. Selv med disse nanorør krævede zinkpartiklerne stadig en meget stærk og højfrekvent elektrisk felt for at lyse op. Det elektriske felt exciterer elektronerne i zinkpartiklerne, hvilket får dem til at emitere subatomare 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 roboten i høj frekvens. Denne proces fik partiklerne til at lyse op.

“Traditionelt er elektroluminescerende materialer meget energikrævende, men på en måde får vi den elektroluminescens gratis, fordi vi bare bruger det elektriske felt ved den frekvens, vi har brug for til at flyve. Vi har ikke brug for ny aktivering, nye ledninger eller noget. Det tager kun omkring 3 procent mere energi at lyse op,” siger Chen.

Holdet fandt ud af, at tilføjelsen af zinkpartikler reducerede kvaliteten af aktuatoren, så de blev kun blandet ind i den øverste elastomerlag. Dette fik aktuatoren til at være omkring 2,5 procent tungere, men den kunne emitere lys uden at påvirke flyvepræstationen.

“Vi lagde meget omhyggeligt i at opretholde kvaliteten af elastomerlagene mellem elektroderne. At tilføje disse partikler var næsten som at tilføje støv til vores elastomerlag. Det tog mange forskellige tilgange og en masse test, men vi fandt en måde at sikre kvaliteten af aktuatoren på,” siger Kim.

Ved at justere den kemiske sammensætning af zinkpartiklerne kan lysets farve ændres. Holdet skabte orange, grønne og blå partikler, hvor hver aktuator lyser med en fast farve.

Holdet aktiverede også aktuatorerne til at emitere flerfarvet og mønsterlys ved at placere en maske over den øverste lag, tilføje zinkpartikler og derefter udhærde aktuatoren.

Bevægelsessporingssystem

Næste skridt var at teste de mekaniske egenskaber af aktuatorerne og at måle lysets intensitet. De udførte flyvetest med et særligt designede sporingssystem, hvor iPhone-kameraer blev brugt til at spore hver elektroluminescerende aktuator, der fungerede som en aktiv marker. Efter at kameraerne har registreret hver lysfarve, sporer en computerprogram robotternes position.

“Vi er meget stolte af, hvor godt sporingresultatet er, sammenlignet med state-of-the-art. Vi brugte billig hårdware, sammenlignet med de mange tusinde dollars, disse store sporingssystemer koster, og sporingresultaterne var meget tæt,” siger Chen.

Holdet vil nu se at forbedre sporingssystemet til at aktivere realtids-sporing af robotterne, samt forsøge at aktivere mikrorobotterne til at tænde og slukke deres lys under flyvning.