Les robots à l’échelle des insectes émettent de la lumière lorsqu’ils volent

Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology a été inspirée par les lucioles pour créer des actionneurs souples qui peuvent émettre de la lumière de différentes couleurs ou motifs lorsqu’ils volent. Les muscles artificiels contrôlent les ailes des robots volants et s’allument en mode vol. Cette nouvelle approche offre une méthode innovante pour suivre les robots volants et pourrait les aider à communiquer.

La nouvelle recherche a été publiée dans IEEE Robotics and Automation Letters.

Les muscles artificiels souples électroluminescents pourraient être utilisés pour diverses applications. Par exemple, les robots pourraient jouer un rôle dans une mission de recherche et de sauvetage, où ils pourraient trouver des survivants et signaler à d’autres robots pour obtenir de l’aide.

Suivi et activation de la communication

Les robots microscopiques ne pèsent guère plus qu’une clip, et leur capacité à émettre de la lumière pourrait les aider à voler seuls en dehors du laboratoire. En raison de leur poids, les micro-robots ne peuvent pas transporter de capteurs, ce qui oblige les chercheurs à les suivre avec des caméras infrarouges qui ont du mal à l’extérieur. Cependant, l’équipe a trouvé une nouvelle méthode pour les suivre en utilisant la lumière qu’ils émettent et trois caméras de smartphone.

Kevin Chen est professeur adjoint au département de génie électrique et d’informatique (EECS), chef du laboratoire de robotique souple et micro-robotique du laboratoire de recherche en électronique (RLE) et auteur principal de l’article.

“Si l’on pense à des robots de grande échelle, ils peuvent communiquer en utilisant de nombreux outils différents – Bluetooth, sans fil, etc. Mais pour un petit robot à faible consommation d’énergie, nous sommes obligés de réfléchir à de nouveaux modes de communication. C’est un grand pas vers le vol de ces robots dans des environnements extérieurs où nous n’avons pas de système de suivi de mouvement de haute technologie,” déclare Chen.

Faire briller les microrobots

L’équipe a intégré des particules électroluminescentes minuscules dans les muscles artificiels, ce qui n’ajoute que 2,5 % de poids supplémentaire sans affecter les performances de vol du robot.

Le groupe de chercheurs a précédemment développé une nouvelle technique de fabrication pour construire des actionneurs souples qui font battre les ailes du robot. Ils sont créés en alternant des couches ultra-minces d’élastomère et d’électrodes en nanotubes de carbone dans une pile avant de les rouler en un cylindre mou. Après qu’une tension est appliquée au cylindre, les électrodes compriment l’élastomère, et cette déformation fait battre les ailes.

Pour créer l’actionneur lumineux, l’équipe a placé des particules de sulfate de zinc électroluminescentes dans l’élastomère, mais cela a nécessité quelques travaux.

Les chercheurs ont d’abord dû créer une électrode qui ne bloquerait pas la lumière. Ils ont utilisé des nanotubes de carbone très transparents, qui permettent à la lumière de passer. Même avec ces nanotubes, les particules de zinc nécessitaient un champ électrique très fort et à haute fréquence pour s’allumer. Le champ électrique excite les électrons dans les particules de zinc, ce qui fait émettre des photons. Un champ électrique fort a ensuite été créé avec une tension élevée dans l’actionneur souple, et il a été utilisé pour faire voler le robot à haute fréquence. Ce processus a permis aux particules de s’allumer.

“Traditionnellement, les matériaux électroluminescents sont très coûteux en énergie, mais dans un sens, nous obtenons cette électroluminescence gratuitement, car nous n’utilisons que le champ électrique à la fréquence dont nous avons besoin pour voler. Nous n’avons pas besoin de nouvelle action, de nouveaux fils ou de quoi que ce soit. Cela ne prend que 3 % d’énergie supplémentaire pour émettre de la lumière,” déclare Chen.

L’équipe a découvert que l’ajout de particules de zinc réduisait la qualité de l’actionneur, donc ils n’ont été mélangés qu’à la couche d’élastomère supérieure. Cela a fait que l’actionneur était environ 2,5 % plus lourd, mais il pouvait émettre de la lumière sans affecter les performances de vol.

“Nous avons pris soin de maintenir la qualité des couches d’élastomère entre les électrodes. L’ajout de ces particules était presque comme ajouter de la poussière à notre couche d’élastomère. Cela a nécessité de nombreuses approches différentes et de nombreux tests, mais nous avons trouvé un moyen de garantir la qualité de l’actionneur,” déclare Kim.

En ajustant la combinaison chimique des particules de zinc, la couleur de la lumière peut être modifiée. L’équipe a créé des particules orange, vertes et bleues, chaque actionneur émettant une couleur solide.

L’équipe a également permis aux actionneurs d’émettre de la lumière multicolore et des motifs en plaçant un masque sur la couche supérieure, en ajoutant des particules de zinc, puis en durcissant l’actionneur.

Système de suivi de mouvement

L’étape suivante a consisté à tester les propriétés mécaniques des actionneurs et à mesurer l’intensité de la lumière. Ils ont effectué des tests de vol avec un système de suivi de mouvement spécialement conçu, avec des caméras iPhone utilisées pour suivre chaque actionneur électroluminescent, qui servait de marqueur actif. Après que les caméras détectent chaque couleur de lumière, un programme informatique suit la position des robots.

“Nous sommes très fiers de la qualité du résultat de suivi, par rapport à l’état de l’art. Nous utilisions un matériel bon marché, par rapport aux dizaines de milliers de dollars que coûtent ces grands systèmes de suivi de mouvement, et les résultats de suivi étaient très proches,” déclare Chen.

L’équipe va maintenant essayer d’améliorer le système de suivi de mouvement pour permettre un suivi en temps réel des robots, ainsi que d’essayer de permettre aux micro-robots d’allumer et d’éteindre leur lumière pendant le vol.