Robots a escala de insectos emiten luz al volar

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts se inspiró en las luciérnagas para crear actuadores suaves que pueden emitir luz en diferentes colores o patrones cuando vuelan. Los músculos artificiales controlan las alas de los robots voladores y se iluminan cuando están en modo de vuelo. Este nuevo enfoque proporciona una forma innovadora de rastrear a los robots voladores y podría ayudarlos a comunicarse.

La nueva investigación se publicó en IEEE Robotics and Automation Letters.

Los músculos artificiales suaves electroluminescentes podrían utilizarse para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, los robots podrían desempeñar un papel en una misión de búsqueda y rescate, donde podrían encontrar supervivientes y señalizar a otros robots para que acudan en ayuda.

Rastreo y habilitación de la comunicación

Los robots microscópicos solo pesan un poco más que un clip de papel, y su capacidad para emitir luz podría ayudarlos a volar solos fuera del entorno del laboratorio. Debido a su peso, los microbots no pueden llevar sensores, lo que significa que los investigadores tuvieron que rastrearlos con cámaras infrarrojas que tienen dificultades al aire libre. Sin embargo, el equipo ha desarrollado un nuevo método para rastrearlos utilizando la luz que emiten y tres cámaras de smartphone.

Kevin Chen es el profesor asistente D. Reid Weedon, Jr. en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), jefe del Laboratorio de Robótica Suave y Micro en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y autor principal del artículo.

“Si piensas en robots a gran escala, pueden comunicarse utilizando muchas herramientas diferentes – Bluetooth, inalámbrico, todo tipo de cosas. Pero para un robot pequeño y con limitaciones de energía, nos vemos obligados a pensar en nuevos modos de comunicación. Este es un paso importante hacia volar estos robots en entornos al aire libre donde no tenemos un sistema de seguimiento de movimiento bien afinado y de última generación”, dice Chen.

Hacer que los microrobots brillen

El equipo incorporó partículas electroluminescentes minúsculas a los músculos artificiales, lo que solo agrega un 2,5 por ciento más de peso sin afectar el rendimiento de vuelo del robot.

El grupo de investigadores desarrolló previamente una nueva técnica de fabricación para construir actuadores suaves que hacen que las alas del robot se muevan. Se crean alternando capas ultradelgadas de elastómero y electrodos de nanotubos de carbono en una pila antes de enrollarla en un cilindro esponjoso. Después de aplicar un voltaje al cilindro, los electrodos comprimen el elastómero y esta tensión hace que las alas se muevan.

Para crear el actuador que brilla, el equipo colocó partículas de sulfato de zinc electroluminescentes en el elastómero, pero esto requirió algún trabajo.

Los investigadores primero tuvieron que crear un electrodo que no bloqueara la luz. Lo hicieron utilizando nanotubos de carbono muy transparentes, que permiten que la luz pase. Incluso con estos nanotubos, las partículas de zinc aún requerían un campo eléctrico muy fuerte y de alta frecuencia para iluminarse. El campo electroexcita los electrones en las partículas de zinc, lo que hace que emitan partículas subatómicas de luz o fotones. Luego se creó un campo eléctrico fuerte con un alto voltaje en el actuador suave y se utilizó para impulsar al robot a alta frecuencia. Este proceso permitió que las partículas se iluminaran.

“Tradicionalmente, los materiales electroluminescentes son muy costosos en términos energéticos, pero en cierto sentido, obtenemos esa electroluminiscencia de forma gratuita porque solo utilizamos el campo eléctrico a la frecuencia que necesitamos para volar. No necesitamos una nueva activación, nuevos cables o nada. Solo requiere un 3 por ciento más de energía para emitir luz”, dice Chen.

El equipo descubrió que la adición de partículas de zinc redujo la calidad del actuador, por lo que solo se mezclaron en la capa superior de elastómero. Esto hizo que el actuador fuera aproximadamente un 2,5 por ciento más pesado, pero podía emitir luz sin afectar el rendimiento de vuelo.

“Pusimos mucho cuidado en mantener la calidad de las capas de elastómero entre los electrodos. Agregar estas partículas fue casi como agregar polvo a nuestra capa de elastómero. Tomó muchos enfoques diferentes y mucha prueba y error, pero dimos con una forma de garantizar la calidad del actuador”, dice Kim.

Al ajustar la combinación química de las partículas de zinc, se puede cambiar el color de la luz. El equipo creó partículas naranjas, verdes y azules, con cada actuador emitiendo un solo color sólido.

El equipo también permitió que los actuadores emitan luz multicolor y con patrones colocando una máscara sobre la capa superior, agregando partículas de zinc y luego curando el actuador.

Sistema de seguimiento de movimiento

El siguiente paso fue probar las propiedades mecánicas de los actuadores y medir la intensidad de la luz. Realizaron pruebas de vuelo con un sistema de seguimiento de movimiento especialmente diseñado, utilizando cámaras de iPhone para rastrear cada actuador electroluminescente, que servía como un marcador activo. Después de que las cámaras detectan cada color de luz, un programa de computadora rastrea la posición de los robots.

“Estamos muy orgullosos de lo bueno que es el resultado del seguimiento, en comparación con el estado de la técnica. Estábamos utilizando hardware barato, en comparación con los miles de dólares que cuestan estos sistemas de seguimiento de movimiento de gran escala, y los resultados del seguimiento fueron muy cercanos”, dice Chen.

El equipo ahora buscará mejorar el sistema de seguimiento de movimiento para permitir el seguimiento en tiempo real de los robots, así como tratar de permitir que los microbots enciendan y apaguen su luz durante el vuelo.