昆虫サイズのロボットは飛行中に光を発する

マサチューセッツ工科大学の研究者チームは、ホタルからインスピレーションを得て、飛行中に異なる色やパターンの光を発することができるソフトアクチュエーターを作成しました。人工筋肉は、飛行ロボットの翼を制御し、飛行モードのときに光ります。この新しいアプローチにより、飛行ロボットを追跡するための革新的な方法が提供され、通信を助けることができます。

新しい研究は、IEEE Robotics and Automation Lettersに掲載されました。

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に使用できます。例えば、ロボットは捜索救助作戦で役割を果たすことができ、生存者を見つけて他のロボットに助けを求める信号を送ることができます。

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く、その光を発する能力により、研究室の外で独自に飛行することができます。彼らの重量のため、研究者は赤外線カメラでロボットを追跡しなければなりませんでしたが、カメラは屋外で苦労しました。ただし、チームは光を使用して3つのスマートフォンカメラで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科学部（EECS）のD. リード・ウィードン・ジュニア・アシスタント教授であり、電子工学研究室（RLE）のソフトおよびマイクロロボティクス研究所の責任者であり、この研究の筆頭著者です。

「大規模ロボットについて考える場合、彼らは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、小さく、電力が制限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、屋外環境で飛行するロボットを追跡するための重要なステップです。」チェンは述べました。

マイクロロボットを輝かせる

チームは、人工筋肉に極小の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％増加するだけで、ロボットの飛行性能に影響しません。

研究者グループは以前、ロボットの翼を羽ばたかせるソフトアクチュエーターを作成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。これらは、エラストマーと炭素ナノチューブ電極の超薄い層をスタックしてローリングし、シリンドルを作成することで作成されます。シリンドルに電圧が適用されると、電極はエラストマーを圧縮し、これにより翼が羽ばたきます。

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しましたが、これにはある程度の作業が必要でした。

研究者はまず、光を遮らない電極を作成しなければなりませんでした。彼らは、光を通過させることができる高透過率の炭素ナノチューブを使用しました。ただし、亜鉛粒子はまだ非常に強い電界と高周波電界が必要でした。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。高電圧と高周波の電界がソフトアクチュエーターで作成され、ロボットを駆動するために使用され、粒子が光ることができました。

「従来、電気ルミネッセント材料はエネルギー的に非常にコストのかかるものですが、ある意味では、飛行に必要な周波数の電界を使用するだけで、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。光を出すには、約3％のエネルギーしか必要としません。」チェンは述べました。

チームは、亜鉛粒子の追加により、アクチュエーターの品質が低下することを学びました。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、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光を発することができました。

「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。」キムは述べました。

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、それぞれの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、アクチュエーター上にマスクを置き、亜鉛粒子を追加し、アクチュエーターを固めることで、マルチカラーとパターンの光を発することを可能にしました。

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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。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、飛行テストを行い、iPhoneカメラを使用して電気ルミネッセントアクチュエーターを追跡しました。これはアクティブマーカーとして機能しました。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はロボットの位置を追跡しました。

「私たちは、トラッキング結果が非常に優れていることを非常に誇りに思っています。私たちは、高価なモーショントラッキングシステムと比較して、安価なハードウェアを使用していましたが、トラッキング結果は非常に近かったです。」チェンは述べました。

チームは、ロボットをリアルタイムで追跡できるようにモーショントラッキングシステムを強化し、飛行中にロボットが光をオン/オフできるようにすることを目指しています。