Hyönteisten kokoiset robotit lähettävät valoa lentäessään

Massachusettsin teknillisen korkeakoulun tutkijaryhmä sai inspiraation tulikärpäsistä luodakseen pehmeitä aktuaattoreita, jotka voivat lähettää valoa eri väreissä tai kuviolla lentäessään. Näiden keinotekoisten lihasten avulla ohjataan lentävien robottien siipiä, ja ne valaisevat lentotilassa. Tämä uusi lähestymistapa tarjoaa innovatiivisen tavan seurata lentäviä robotteja ja auttaa niitä viestimään.

Uusi tutkimus julkaistiin IEEE Robotics and Automation Letters -julkaisussa.

Nämä sähköluminesoivat pehmeät keinotekoiset lihakset voivat olla käytössä monissa sovelluksissa. Esimerkiksi robotit voivat osallistua etsintä- ja pelastustehtäviin, joissa ne voivat löytää selviytyjiä ja lähettää signaaleja muille roboteille apua pyytäen.

Seuranta ja viestintä

Nämä mikroskaalaiset robotit painavat vain hieman enemmän kuin paperiliitin, ja niiden valontuottokyky voi auttaa niitä lentämään itsenäisesti laboratoriotilasta poistumisen jälkeen. Niiden painon vuoksi mikrobotit eivät voi kantaa mukanaan mitään antureita, joten tutkijat joutuvat seuraamaan niitä infrapunakameroiden avulla, jotka ovat haasteellisia ulkoilmassa. Ryhmä on kuitenkin kehittänyt uuden menetelmän seurata niitä valon avulla, jonka ne lähettävät, ja kolmen älypuhelinkameran avulla.

Kevin Chen on D. Reid Weedon, Jr. -apulaisprofessori sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen laitoksessa (EECS), Soft and Micro Robotics Laboratoryn johtaja Research Laboratory of Electronicsissa (RLE) ja tutkimuksen pääkirjoittaja.

“Jos ajattelemme suuria robotteja, ne voivat viestiä monin eri työkaluin – Bluetooth, langaton, kaikki sellaiset. Mutta pienelle, energiansaanniltaan rajalliselle robotille meidän on mietittävä uusia viestintätapoja. Tämä on suuri askel lentävien robottien käyttöön ulkoilmassa, missä meillä ei ole hyvin sääteltyä, huipputasoa olevaa liikeseurantajärjestelmää”, Chen sanoo.

Mikrorobotit hohtavat

Tutkijaryhmä upotti pienet sähköluminesoivat hiukkaset keinotekoisiin lihaksiin, mikä lisää vain 2,5 prosenttia painoa ilman vaikutusta robotin lentosuorituskykyyn.

Tutkijaryhmä kehitti aiemmin uuden valmistustekniikan pehmeiden aktuaattorien valmistamiseksi, jotka räpyttävät robotin siipiä. Ne valmistetaan vaihtamalla ohuita elastomeerikerroksia ja hiili-nanoputkielektrodeja pinossa ennen kuin rullataan pehmeäksi sylinteriksi. Kun jännite kytketään sylinteriin, elektrodit puristavat elastomeeria, ja tämä aiheuttaa siipien räpyttelyn.

Luoakseen hohtavan aktuaattorin tutkijaryhmä asetti sähköluminesoivia sinkkisulfaattihiukkasia elastomeeriin, mikä vaati jonkin verran työtä.

Tutkijat joutuivat ensin luomaan elektrodin, joka ei estä valoa. He tekivät tämän käyttämällä erittäin läpinäkyviä hiili-nanoputkia, jotka sallivat valon kulkeutumisen läpi. Näistä nanoputkista huolimatta sinkkihiukkaset vaativat edelleen erittäin voimakkaan ja korkeataajuisen sähkökentän valon lähettämiseen. Sähkökenttä virittää sinkkihiukkasissa olevia elektroneja, minkä seurauksena ne lähettävät alkeishiukkasia eli fotoneja. Voimakas sähkökenttä luotiin pehmeään aktuaattoriin korkealla jännitteellä ja käytettiin robotin ohjaamiseen korkealla taajuudella. Tämä prosessi mahdollisti hiukkasten valon lähettämisen.

“Perinteisesti sähköluminesoivat materiaalit ovat erittäin energiankulutuksellisia, mutta jossain mielessä saamme tämän sähköluminesenssin ilmaiseksi, koska käytämme sähkökenttää tarvitsemallamme taajuudella lentämiseen. Emme tarvitse uusia aktuaattoreita, uusia johtoja tai mitään. Se vaatii vain noin 3 prosenttia enemmän energiaa valon lähettämiseen”, Chen sanoo.

Tutkijaryhmä sai selville, että sinkkihiukkasten lisääminen heikensi aktuaattorin laatua, joten ne sekoitettiin vain yläelastomeerikerrokseen. Tämä aiheutti aktuaattorin painon kasvamisen noin 2,5 prosenttia, mutta se pystyi lähettämään valoa ilman vaikutusta lentosuorituskykyyn.

“Huolehdimme tarkasti elastomeerikerrosten laadun säilymisestä elektrodeiden välissä. Sinkkihiukkasten lisääminen oli melkein kuin pölyn lisääminen elastomeerikerrokseen. Se vaati monia eri lähestymistapoja ja paljon testausta, mutta keksimme tavan varmistaa aktuaattorin laatu”, Kim sanoo.

Valon värin voi muuttaa säätämällä sinkkihiukkasten kemiallista yhdistelmää. Tutkijaryhmä loi oransseja, vihreitä ja sinisiä hiukkasia, ja jokainen aktuaattori lähetti yhtenäistä väriä.

Tutkijaryhmä mahdollisti myös aktuaattorien monivärisen ja kuvioidun valon tuottamisen asettamalla maskin yläkerrokseen, lisäämällä sinkkihiukkasia ja kovettamalla aktuaattorin.

Liikeseurantajärjestelmä

Seuraava askel oli testata aktuaattorien mekaanisia ominaisuuksia ja mitata valon voimakkuutta. He suorittivat lentokokeita erityisesti suunnitellulla liikeseurantajärjestelmällä, jossa iPhone-kameroita käytettiin jokaisen sähköluminesoivan aktuaattorin seuraamiseen, joka toimi aktiivisena seurantamerkkinä. Kun kamerat havaitsevat jokaisen valon värin, tietokoneohjelma seuraa robottien sijaintia.

“Olemme erittäin ylpeitä siitä, kuinka hyvä seuranta on verrattuna huipputasoon. Käytimme halpaa laitteistoa verrattuna kymmeniin tuhansiin dollareihin, jotka isot liikeseurantajärjestelmät maksavat, ja seuranta tulokset olivat hyvin lähellä”, Chen sanoo.

Tutkijaryhmä aikoo nyt parantaa liikeseurantajärjestelmää mahdollistaakseen robottien seurannan reaaliajassa sekä yrittääkseen mahdollistaa mikrobottien valon sammuttamisen ja sytyttämisen lennossa.