Ρομπότ σε μέγεθος εντόμου εκπέμπουν φως όταν πετούν

Μια ομάδα ερευνητών στο Massachusetts Institute of Technology εμπνεύστηκε από τις πυγολαμπίδες για να δημιουργήσει μαλακούς ενεργοποιητές που μπορούν να εκπέμπουν φως σε διαφορετικά χρώματα ή σχέδια όταν πετούν. Οι τεχνητοί μύες ελέγχουν τις πτέρυγες των ιπτάμενων ρομποτ και φωτίζουν όταν βρίσκονται σε λειτουργία πτήσης. Αυτή η νέα προσέγγιση παρέχει έναν καινοτόμο τρόπο για να παρακολουθήσετε τα ιπτάμενα ρομποτ και μπορεί να τους βοηθήσει να επικοινωνούν.

Η νέα έρευνα δημοσιεύθηκε στο IEEE Robotics and Automation Letters.

Οι ηλεκτρολουμινέσεντες μαλακοί τεχνητοί μύες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για μια ποικιλία εφαρμογών. Για παράδειγμα, τα ρομποτ θα μπορούσαν να παίξουν ένα ρόλο σε μια αποστολή αναζήτησης και διάσωσης, όπου θα μπορούσαν να βρουν επιζώντες και να στείλουν σήματα σε άλλα ρομποτ για βοήθεια.

Παρακολούθηση και Ενεργοποίηση Επικοινωνίας

Τα μικρο-ρομποτ ζυγίζουν λίγο περισσότερο από ένα κλιπ για χαρτιά, και η ικανότητά τους να εκπέμπουν φως θα μπορούσε να τους βοηθήσει να πετούν μόνα τους έξω από το εργαστήριο. Λόγω του βάρους τους, τα μικρο-ρομποτ δεν μπορούν να μεταφέρουν κανένα αισθητήρα, πράγμα που σημαίνει ότι οι ερευνητές έπρεπε να τα παρακολουθήσουν με κάμερες υπέρυθρης ακτινοβολίας που δυσκολεύονται έξω. Ωστόσο, η ομάδα έχει αναπτύξει μια νέα μέθοδο για να τα παρακολουθήσει χρησιμοποιώντας το φως που εκπέμπουν και τρεις κάμερες smartphone.

Ο Kevin Chen είναι ο D. Reid Weedon, Jr. Επίκουρος Καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολογικής Μηχανικής και Επιστήμης Υπολογιστών (EECS), ο επικεφαλής του Εργαστηρίου Μαλακών και Μικρο-ρομποτικής στο Εργαστήριο Έρευνας Ηλεκτρονικής (RLE) και ο ανώτερος συγγραφέας του εγγράφου.

“Αν σκεφτείτε μεγάλα ρομποτ, μπορούν να επικοινωνούν χρησιμοποιώντας πολλά διαφορετικά εργαλεία — Bluetooth, ασύρματη, όλα αυτά τα πράγματα. Αλλά για ένα μικρό ρομπότ με περιορισμένη διαθέσιμη ισχύ, μας αναγκάζουν να σκεφτόμαστε νέους τρόπους επικοινωνίας. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς την πτήση αυτών των ρομποτ σε εξωτερικά περιβάλλοντα όπου δεν έχουμε ένα καλά ρυθμισμένο, state-of-the-art σύστημα παρακολούθησης κίνησης,” λέει ο Chen.

Κάνοντας τα Μικρο-ρομποτ να Λάμψουν

Η ομάδα ενσωμάτωσε μικροσκοπικά ηλεκτροφωταυγή σωματίδια στους τεχνητούς μύες, τα οποία προσθέτουν μόλις 2,5 τοις εκατό επιπλέον βάρος χωρίς να επηρεάζουν την απόδοση πτήσης του ρομποτ.

Η ομάδα ερευνητών είχε προηγουμένως αναπτύξει μια νέα τεχνική κατασκευής για να δημιουργήσει μαλακούς ενεργοποιητές που χτυπούν τις πτέρυγες του ρομποτ. Δημιουργούνται με εναλλαγή υπέρλεπτων στρώσεων ελαστομέρου και ηλεκτροδίων από νανοσωλήνες άνθρακα σε ένα σωρό πριν από το κύλισμα σε έναν μαλακό κύλινδρο. Μετά από την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης στο κύλινδρο, τα ηλεκτρόδια σφίγγουν το ελαστομέρο και αυτή η παραμόρφωση προκαλεί τις πτέρυγες να χτυπούν.

Για να δημιουργήσουν τον λάμψαντα ενεργοποιητή, η ομάδα τοποθέτησε ηλεκτροφωταυγή σωματίδια θειικού ψευδαργύρου στο ελαστομέρο, αλλά αυτό απαιτούσε κάποια δουλειά.

Οι ερευνητές πρώτα έπρεπε να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρόδιο που δεν θα μπλοκάρει το φως. Το έκαναν χρησιμοποιώντας υψηλά διαφανείς νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίες επιτρέπουν στο φως να περάσει. Ακόμη και με αυτές τις νανοσωλήνες, τα σωματίδια ψευδαργύρου εξακολουθούσαν να χρειάζονται ένα πολύ ισχυρό και υψηλής συχνότητας ηλεκτρικό πεδίο για να λάμψουν. Το ηλεκτρικό πεδίο διεγείρει τα ηλεκτρόνια στα σωματίδια ψευδαργύρου, προκαλώντας τα να εκπέμπουν υποατομικά σωματίδια φωτός, ή φωτόνια. Ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο δημιουργήθηκε με υψηλή τάση στον μαλακό ενεργοποιητή και χρησιμοποιήθηκε για να οδηγήσει το ρομποτ σε υψηλή συχνότητα. Αυτή η διαδικασία επέτρεψε στα σωματίδια να λάμψουν.

“Παραδοσιακά, τα ηλεκτρολουμινέσεντα υλικά είναι πολύ ενεργειακά δαπανηρά, αλλά με έναν τρόπο, παίρνουμε αυτήν την ηλεκτρολουμινέσενση δωρεάν γιατί χρησιμοποιούμε το ηλεκτρικό πεδίο στη συχνότητα που χρειαζόμαστε για την πτήση. Δεν χρειαζόμαστε νέους ενεργοποιητές, νέα καλώδια ή τίποτα. Μόνο χρειαζόμαστε περίπου 3 τοις εκατό περισσότερη ενέργεια για να εκπέμψουμε φως,” λέει ο Chen.

Η ομάδα έμαθε ότι η προσθήκη σωματιδίων ψευδαργύρου μειώνει την ποιότητα του ενεργοποιητή, οπότε τα σωματίδια ψευδαργύρου αναμείχθηκαν μόνο στο επάνω στρώμα ελαστομέρου. Αυτό προκάλεσε τον ενεργοποιητή να είναι περίπου 2,5 τοις εκατό βαρύτερος, αλλά μπορούσε να εκπέμψει φως χωρίς να επηρεάσει την απόδοση πτήσης.

“Βάζουμε πολλή προσοχή για να διατηρήσουμε την ποιότητα των στρωμάτων ελαστομέρου μεταξύ των ηλεκτροδίων. Η προσθήκη αυτών των σωματιδίων ήταν σχεδόν σαν να προσθέσουμε σκόνη στο στρώμα ελαστομέρου μας. Χρειάστηκαν πολλές διαφορετικές προσεγγίσεις και πολλή δοκιμή, αλλά βρήκαμε έναν τρόπο να διατηρήσουμε την ποιότητα του ενεργοποιητή,” λέει ο Kim.

Με τη ρύθμιση της χημικής σύνθεσης των σωματιδίων ψευδαργύρου, το χρώμα του φωτός μπορεί να αλλάξει. Η ομάδα δημιούργησε σωματίδια πορτοκαλί, πράσινα και μπλε, με κάθε ενεργοποιητή να λάμψει ένα ενιαίο χρώμα.

Η ομάδα επίσης επέτρεψε στους ενεργοποιητές να εκπέμψουν πολυχρωματικά και σχηματισμένα φώτα τοποθετώντας μια μάσκα στο επάνω στρώμα, προσθέτοντας σωματίδια ψευδαργύρου και στη συνέχεια σκληρύνοντας τον ενεργοποιητή.

Σύστημα Παρακολούθησης Κίνησης

Το επόμενο βήμα ήταν να δοκιμάσουν τις μηχανικές ιδιότητες των ενεργοποιητών και να μετρήσουν την ένταση του φωτός. Έτρεξαν δοκιμές πτήσης με ένα ειδικά σχεδιασμένο σύστημα παρακολούθησης κίνησης, με κάμερες iPhone που χρησιμοποιήθηκαν για να παρακολουθήσουν κάθε ηλεκτρολουμινέσεντη ενεργοποιητή, ο οποίος χρησίμευε ως ενεργός δείκτης. Μετά από την ανίχνευση κάθε χρώματος φωτός από τις κάμερες, ένα πρόγραμμα υπολογιστή παρακολουθεί τη θέση των ρομποτ.

“Είμαστε πολύ περήφανοι για το πόσο καλό είναι το αποτέλεσμα παρακολούθησης, σε σύγκριση με το state-of-the-art. Χρησιμοποιούσαμε φτηνό υλικό, σε σύγκριση με τις δεκάδες χιλιάδες δολάρια που κοστίζουν αυτά τα μεγάλα συστήματα παρακολούθησης κίνησης, και τα αποτελέσματα παρακολούθησης ήταν πολύ κοντά,” λέει ο Chen.

Η ομάδα θα προσπαθήσει τώρα να βελτιώσει το σύστημα παρακολούθησης κίνησης για να επιτρέψει την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο των ρομποτ, καθώς και να προσπαθήσει να επιτρέψει στα μικρορομπότ να σβήνουν και να ανάβουν το φως τους κατά τη διάρκεια της πτήσης.