Insekten-Skala-Roboter emittieren Licht beim Fliegen

Ein Team von Forschern am Massachusetts Institute of Technology ließ sich von Glühwürmchen inspirieren, um weiche Aktoren zu entwickeln, die beim Fliegen in verschiedenen Farben oder Mustern leuchten können. Die künstlichen Muskeln steuern die Flügel der fliegenden Roboter und leuchten auf, wenn sie im Flugmodus sind. Dieser neue Ansatz bietet eine innovative Möglichkeit, die fliegenden Roboter zu verfolgen und könnte ihnen helfen, zu kommunizieren.

Die neue Forschung wurde in der Zeitschrift IEEE Robotics and Automation Letters veröffentlicht.

Die elektrolumineszenten weichen künstlichen Muskeln könnten für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel könnten die Roboter bei einer Such- und Rettungsmission eingesetzt werden, bei der sie Überlebende finden und anderen Robotern Hilfe signalisieren könnten.

Verfolgung und Kommunikation ermöglichen

Die mikroskaligen Roboter wiegen nur ein wenig mehr als eine Büroklammer, und ihre Fähigkeit, Licht zu emittieren, könnte ihnen helfen, auf eigene Faust außerhalb des Laborumfelds zu fliegen. Aufgrund ihres Gewichts können die Mikro-Roboter keine Sensoren tragen, was bedeutet, dass die Forscher sie mit Infrarotkameras verfolgen mussten, die im Freien Schwierigkeiten haben. Allerdings hat das Team eine neue Methode entwickelt, um sie mithilfe des von ihnen emittierten Lichts und drei Smartphone-Kameras zu verfolgen.

Kevin Chen ist der D. Reid Weedon, Jr. Assistant Professor im Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), der Leiter des Soft and Micro Robotics Laboratory in der Research Laboratory of Electronics (RLE) und der Seniorautor des Papiers.

“Wenn man an große Roboter denkt, können sie mit vielen verschiedenen Werkzeugen kommunizieren – Bluetooth, Wireless, all diese Dinge. Aber für einen winzigen, leistungsbegrenzten Roboter müssen wir über neue Kommunikationsformen nachdenken. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, diese Roboter in Außenumgebungen zu fliegen, in denen wir kein perfekt abgestimmtes, hochentwickeltes Bewegungsverfolgungssystem haben”, sagt Chen.

Mikro-Roboter zum Leuchten bringen

Das Team hat winzige elektrolumineszente Partikel in die künstlichen Muskeln eingebettet, was nur 2,5 Prozent mehr Gewicht hinzufügt, ohne die Flugleistung des Roboters zu beeinträchtigen.

Die Gruppe von Forschern hatte zuvor eine neue Fertigungstechnik entwickelt, um weiche Aktoren zu bauen, die die Flügel des Roboters schlagen. Sie werden durch abwechselnde ultradünne Schichten von Elastomeren und Kohlenstoffnanoröhren-Elektroden in einem Stapel erstellt, bevor sie zu einem weichen Zylinder gerollt werden. Nachdem eine Spannung auf den Zylinder angelegt wird, quetschen die Elektroden das Elastomer, und diese Dehnung verursacht das Schlagen der Flügel.

Um den leuchtenden Aktor zu erstellen, hat das Team elektrolumineszente Zinksulfat-Partikel in das Elastomer gelegt, was jedoch einige Arbeit erforderte.

Die Forscher mussten zunächst eine Elektrode erstellen, die nicht das Licht blockiert. Sie haben dies durch die Verwendung hochtransparenter Kohlenstoffnanoröhren erreicht, die das Licht durchlassen. Selbst mit diesen Nanoröhren benötigten die Zinkpartikel jedoch ein sehr starkes und hochfrequentes elektrisches Feld, um zu leuchten. Das elektrische Feld regt die Elektronen in den Zinkpartikeln an, was dazu führt, dass diese subatomare Lichtpartikel oder Photonen emittieren. Ein starkes elektrisches Feld wurde mit einer hohen Spannung im weichen Aktor erstellt und dazu verwendet, den Roboter mit hoher Frequenz zu betreiben. Dieser Prozess ermöglichte es den Partikeln, zu leuchten.

“Traditionell sind elektrolumineszente Materialien sehr energetisch teuer, aber in einem Sinne bekommen wir diese Elektrolumineszenz kostenlos, weil wir einfach das elektrische Feld bei der Frequenz verwenden, die wir zum Fliegen benötigen. Wir benötigen keine neue Aktorik, keine neuen Kabel oder irgendetwas anderes. Es benötigt nur etwa 3 Prozent mehr Energie, um Licht auszusenden”, sagt Chen.

Das Team hat festgestellt, dass die Zugabe von Zinkpartikeln die Qualität des Aktors verringerte, sodass sie nur in die obere Elastomerschicht gemischt wurden. Dies führte dazu, dass der Aktor etwa 2,5 Prozent schwerer wurde, aber er konnte Licht emittieren, ohne die Flugleistung zu beeinträchtigen.

“Wir haben uns sehr bemüht, die Qualität der Elastomerschichten zwischen den Elektroden zu erhalten. Die Zugabe dieser Partikel war fast so, als ob man Staub in unsere Elastomerschicht hineingab. Es erforderte viele verschiedene Ansätze und viel Testen, aber wir haben einen Weg gefunden, um die Qualität des Aktors zu gewährleisten”, sagt Kim.

Durch die Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Zinkpartikel kann die Lichtfarbe geändert werden. Das Team hat orangefarbene, grüne und blaue Partikel erstellt, wobei jeder Aktor eine feste Farbe leuchtet.

Das Team hat auch ermöglicht, dass die Aktoren mehrfarbiges und gemustertes Licht emittieren, indem sie eine Maske über die obere Schicht legten, Zinkpartikel hinzufügten und dann den Aktor aushärteten.

Bewegungsverfolgungssystem

Der nächste Schritt bestand darin, die mechanischen Eigenschaften der Aktoren zu testen und die Intensität des Lichts zu messen. Sie führten Flugtests mit einem speziell entwickelten Bewegungsverfolgungssystem durch, bei dem iPhone-Kameras verwendet wurden, um jeden elektrolumineszenten Aktor zu verfolgen, der als aktives Marker diente. Nachdem die Kameras jede Lichtfarbe erkannt haben, verfolgt ein Computerprogramm die Position der Roboter.

“Wir sind sehr stolz auf die Qualität der Verfolgungsergebnisse im Vergleich zum Stand der Technik. Wir haben preisgünstige Hardware verwendet, im Vergleich zu den Zehntausenden von Dollar, die diese großen Bewegungsverfolgungssysteme kosten, und die Verfolgungsergebnisse waren sehr nahe”, sagt Chen.

Das Team wird nun daran arbeiten, das Bewegungsverfolgungssystem zu verbessern, um eine Echtzeitverfolgung der Roboter zu ermöglichen, sowie versuchen, die Mikro-Roboter dazu zu bringen, ihr Licht während des Fluges ein- und auszuschalten.