飛行中の昆虫サイズロボットが光を発する

マサチューセッツ工科大学の研究者チームは、飛行中に光を発するソフトアクチュエーターを作成するために、ホタルからインスピレーションを得ました。人工筋肉は、ロボットの翼を制御し、飛行モード時に光を発します。この新しいアプローチにより、飛行ロボットを追跡し、通信を可能にする革新的な方法が提供されます。

新しい研究は、IEEE Robotics and Automation Lettersに掲載されています。

電気ルミネッセントソフト人工筋肉は、さまざまなアプリケーションで使用できます。たとえば、ロボットは、生存者を発見し、他のロボットに助けを求める信号を送ることができる検索と救助作戦で役割を果たすことができます。

追跡と通信の有効化

マイクロスケールロボットは、ペーパークリップよりもわずかに重いだけですが、光を発する能力により、研究所の外で独自に飛行することができます。ただし、重量のため、ロボットはセンサーを搭載できません。したがって、研究者は、ロボットを追跡するために、赤外線カメラを使用していました。しかし、チームは、光を発することと3つのスマートフォンカメラを使用してロボットを追跡する新しい方法を開発しました。

ケビン・チェンは、電気工学およびコンピューターサイエンス学部（EECS）のD. Reid Weedon Jr. 助教授であり、Research Laboratory of Electronics（RLE）のSoft and Micro Robotics Laboratoryの責任者であり、論文の筆頭著者です。

「大規模ロボットの場合、Bluetooth、ワイヤレスなどの多くのツールを使用して通信できます。しかし、微小で電力に制約されたロボットの場合、新しい通信モードについて考える必要があります。これは、外部環境でロボットを飛行させるための重要なステップです。そこでは、高度なモーショントラッキングシステムを使用できません」とチェンは述べています。

マイクロロボットの光沢

チームは、人工筋肉に微小な電気ルミネッセント粒子を埋め込みました。これにより、重量はわずか2.5パーセント増加しますが、ロボットの飛行性能には影響しません。

研究者グループは以前、ロボットの翼を羽ばたくソフトアクチュエーターを構築するための新しいファブリケーションテクニックを開発しました。彼らは、超薄い層のエラストマーとカーボンナノチューブ電極をスタックし、それを柔らかいシリンダーに巻きました。シリンダーに電圧を加えると、電極がエラストマーを圧縮し、圧縮によって翼が羽ばたくようになります。

発光アクチュエーターを作成するには、チームはエラストマーに電気ルミネッセント亜鉛硫酸塩粒子を配置する必要がありましたが、これにはいくつかの作業が必要でした。

研究者は、光を遮らない電極を作成する必要がありました。彼らは、光を透過することができる高透明度のカーボンナノチューブを使用しました。ただし、亜鉛粒子は、強力で高周波の電界を必要としました。電界は亜鉛粒子の電子を励起し、亜鉛粒子は光子を発します。強力な電界は、ソフトアクチュエーターで高電圧を使用して作成され、ロボットを高周波で駆動するために使用されました。このプロセスにより、粒子が光を発することができました。

「従来の電気ルミネッセント材料は、エネルギー的に高価です。しかし、私たちが飛行に必要な周波数の電界を使用することで、電気ルミネッセンスを無料で得ることができます。新しいアクチュエーション、新しいワイヤー、またはその他のものは必要ありません。光を発するには、約3パーセント多くのエネルギーしか必要としません」とチェンは述べています。

チームは、亜鉛粒子の追加がアクチュエーターの品質を低下させることを発見しました。したがって、粒子は上部のエラストマーレイヤーにのみ混合されました。これにより、アクチュエーターは約2.5パーセント重くなりましたが、飛行性能に影響することなく光を発することができました。

「私たちは、電極間のエラストマーレイヤーの品質を維持するために多くの注意を払いました。粒子を追加することは、エラストマーレイヤーに埃を加えるようなものでした。多くのアプローチを試し、多くのテストを行った結果、 アクチュエーターの品質を維持する方法を見つけることができました」とキムは述べています。

亜鉛粒子の化学組成を調整することで、光の色を変更することができます。チームは、オレンジ、緑、青の粒子を作成し、各アクチュエーターは1色の光を発しました。

チームはまた、アクチュエーターをマルチカラーおよびパターン光を発するようにしました。アクチュエーターの上部にマスクを配置し、亜鉛粒子を追加し、アクチュエーターを固めることでこれを実現しました。

モーショントラッキングシステム

次のステップは、アクチュエーターの機械的特性をテストし、光の強度を測定することでした。彼らは、特別に設計されたモーショントラッキングシステムを使用して飛行テストを実行しました。iPhoneカメラを使用して、各電気ルミネッセントアクチュエーターを追跡しました。これは、活性マーカーとして機能しました。カメラが各光色を検出した後、コンピュータープログラムはロボットの位置を追跡しました。

「私たちは、追跡結果の良さに非常に自信を持っています。私たちは、高価なモーショントラッキングシステムに比べて、安価なハードウェアを使用していましたが、追跡結果は非常に近かったです」とチェンは述べています。

チームは、モーショントラッキングシステムを強化して、ロボットのリアルタイム追跡を可能にし、飛行中のロボットの光をオン/オフすることも試みる予定です。