飛行中に発光する昆虫サイズのロボット

マサチューセッツ工科大学の研究チームはホタルからインスピレーションを得て、飛行中にさまざまな色やパターンで発光できるソフトアクチュエーターを開発した。 人工筋肉は飛行ロボットの翼を制御しており、飛行モードでは翼が光ります。 この新しいアプローチは、飛行ロボットを追跡する革新的な方法を提供し、ロボットの通信に役立つ可能性があります。 

新しい研究は、 IEEE ロボティクスおよびオートメーション レター. 

エレクトロルミネセンス軟人工筋肉は、さまざまな用途に使用できます。 たとえば、ロボットは捜索救助ミッションで役割を果たすことができ、そこで生存者を見つけたり、他のロボットに助けを求める合図を送ったりすることができる。 

通信の追跡と有効化

マイクロスケールロボットの重さはペーパークリップよりも少し重いだけで、発光能力を利用すれば、実験室環境の外で自立飛行できる可能性がある。 マイクロボットはその重量のためセンサーを搭載できないため、研究者は屋外で苦労する赤外線カメラでマイクロボットを追跡する必要がありました。 しかし研究チームは、彼らが発する光とXNUMX台のスマートフォンカメラを使って彼らを追跡する新しい方法を考案した。 

Kevin Chen は、電気工学およびコンピュータ サイエンス学科 (EECS) の D. リード ウィードン ジュニア助教授であり、エレクトロニクス研究所 (RLE) のソフトおよびマイクロ ロボティクス研究室の責任者であり、次の論文の主著者でもあります。紙。 

「大型ロボットについて考えてみると、Bluetooth、ワイヤレスなど、さまざまなツールを使用して通信できます。 しかし、小型で電力に制約のあるロボットの場合、私たちは新しいコミュニケーション方法を考える必要があります。 これは、適切に調整された最先端の動作追跡システムがない屋外環境でこれらのロボットを飛行させるための大きな一歩です」とチェン氏は言います。

マイクロロボットを光らせる

研究チームは極小のエレクトロルミネセンス粒子を人工筋肉に埋め込んだが、これによりロボットの飛行性能に影響を与えることなく、重量が 2.5% 増加するだけだった。 

研究者グループは以前、ロボットの翼を羽ばたかせるソフトアクチュエータを構築するための新しい製造技術を開発した。 これらは、エラストマー電極とカーボン ナノチューブ電極の極薄層を交互に積み重ねてから、それを丸めて柔らかいシリンダーにすることによって作成されます。 シリンダーに電圧が印加されると、電極がエラストマーを圧迫し、この歪みにより翼が羽ばたくようになります。 

光るアクチュエーターを作成するために、チームはエレクトロルミネセンス硫酸亜鉛粒子をエラストマーに配置しましたが、これには多少の作業が必要でした。 

研究者らはまず、光を遮断しない電極を作成する必要がありました。 彼らは、光を透過する透明度の高いカーボンナノチューブを使用することでこれを実現しました。 これらのナノチューブを使用しても、亜鉛粒子が発光するには非常に強力で高周波の電場が必要でした。 電場は亜鉛粒子内の電子を励起し、亜鉛粒子から光の素粒子、つまり光子を放出させます。 次に、ソフトアクチュエータ内に高電圧で強力な電場を生成し、それを使用してロボットを高周波で駆動しました。 このプロセスにより、粒子が発光することが可能になりました。 

「従来、エレクトロルミネセンス材料はエネルギー的に非常に高価でしたが、飛行に必要な周波数の電場を使用するだけなので、ある意味、私たちはそのエレクトロルミネセンスを無料で得ることができます。 新しい作動装置や新しいワイヤーなどは必要ありません。 光を放つのに必要なエネルギーは約 3% 増えるだけです」とチェン氏は言います。

研究チームは、亜鉛粒子を添加するとアクチュエータの品質が低下するため、亜鉛粒子は上部のエラストマー層にのみ混合されることを知りました。 これによりアクチュエーターは約 2.5% 重くなりましたが、飛行性能に影響を与えることなく発光することができました。 

「私たちは電極間のエラストマー層の品質を維持することに細心の注意を払っています。 これらの粒子を追加することは、エラストマー層に塵を追加することにほとんど似ていました。 さまざまなアプローチと多くのテストが必要でしたが、アクチュエーターの品質を保証する方法を思いつきました」とキム氏は言います。

亜鉛粒子の化学的組み合わせを調整することで、光の色を変えることができます。 チームは、各アクチュエータが単色で輝くオレンジ、緑、青のパーティクルを作成しました。 

またチームは、最上層にマスクを置き、亜鉛粒子を加えてアクチュエータを硬化することにより、アクチュエータが多色でパターン化された光を放射できるようにしました。 

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追跡システムを使用して飛行テストを実行しました。iPhone カメラは、アクティブマーカーとして機能する各エレクトロルミネセンスアクチュエータを追跡するために使用されました。 カメラが各光の色を検出した後、コンピューター プログラムがロボットの位置を追跡します。

「最先端のものと比較して、追跡結果がいかに優れているかを非常に誇りに思っています。 これらの大規模なモーション追跡システムのコストが数万ドルかかるのに比べて、私たちは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いものでした」とチェン氏は言います。

チームは今後、モーション追跡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するとともに、マイクロボットが飛行中にライトをオン/オフできるようにすることを検討する予定です。