Insect-Schaal Robots Emit Licht Wanneer Ze Vliegen

Een team van onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology werd geïnspireerd door vuurvliegjes om zachte actuatoren te creëren die licht kunnen uitstralen in verschillende kleuren of patronen wanneer ze vliegen. De kunstmatige spieren controleren de vleugels van de vliegende robots, en ze lichten op wanneer ze in de vluchtmodus zijn. Deze nieuwe aanpak biedt een innovatieve manier om de vliegende robots te volgen en kan helpen bij de communicatie.

Het nieuwe onderzoek werd gepubliceerd in IEEE Robotics and Automation Letters.

De electroluminescente zachte kunstmatige spieren kunnen worden gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen. Bijvoorbeeld, de robots kunnen een rol spelen in een zoek- en reddingsmissie, waarbij ze overlevenden kunnen vinden en signalen kunnen afgeven aan andere robots om hulp te vragen.

Volgen en Communiceren

De microschaalrobots wegen slechts een beetje meer dan een paperclip, en hun mogelijkheid om licht uit te stralen kan helpen om zelfstandig te vliegen buiten het labomgeving. Vanwege hun gewicht, kunnen de microbots geen sensoren meevoeren, waardoor onderzoekers ze moesten volgen met infraroodcamera’s die buiten moeite hebben. Echter, het team heeft een nieuwe methode bedacht om ze te volgen door het licht dat ze uitstralen en drie smartphonecamera’s te gebruiken.

Kevin Chen is de D. Reid Weedon, Jr. Assistant Professor in de afdeling Electrical Engineering and Computer Science (EECS), het hoofd van de Soft and Micro Robotics Laboratory in de Research Laboratory of Electronics (RLE), en de senior auteur van het artikel.

“Als je denkt aan grote robots, kunnen ze communiceren met behulp van veel verschillende tools – Bluetooth, draadloos, dat soort dingen. Maar voor een kleine, energiebeperkte robot, moeten we nadenken over nieuwe communicatiemethoden. Dit is een grote stap naar het vliegen van deze robots in outdooromgevingen waar we geen goed afgestemde, state-of-the-art motion tracking systeem hebben,” zegt Chen.

Microrobots Laten Gloeien

Het team heeft minuscule electroluminescente deeltjes in de kunstmatige spieren ingebed, wat slechts 2,5 procent meer gewicht toevoegt zonder de vluchtprestaties van de robot te beïnvloeden.

De groep van onderzoekers ontwikkelde eerder een nieuwe fabricagetechniek om zachte actuatoren te bouwen die de vleugels van de robot doen klappen. Ze worden gemaakt door ultradunne lagen van elastomeer en koolstofnanobuis-elektroden in een stapel te plaatsen voordat ze in een zachte cilinder worden gerold. Nadat een spanning wordt toegepast op de cilinder, knijpen de elektroden het elastomeer, en deze rek veroorzaakt dat de vleugels klappen.

Om de gloeiende actuator te creëren, plaatste het team electroluminescente zinksulfaatdeeltjes in het elastomeer, maar dit vereiste enige werk.

De onderzoekers moesten eerst een elektrode creëren die geen licht zou blokkeren. Ze deden dit door gebruik te maken van zeer transparante koolstofnanobuizen, die licht doorlaten. Zelfs met deze nanobuizen, hadden de zinkdeeltjes nog steeds een zeer sterke en hoge-frequentie elektrisch veld nodig om op te lichten. Het electroveld activeert de elektronen in de zinkdeeltjes, waardoor deze subatomaire deeltjes van licht, of fotonen, uitstralen. Een sterk elektrisch veld werd vervolgens gecreëerd met een hoge spanning in de zachte actuator, en het werd gebruikt om de robot op hoge frequentie te laten werken. Dit proces liet de deeltjes oplichten.

“Traditioneel zijn electroluminescente materialen zeer energiekostbaar, maar in zekere zin krijgen we die electroluminescentie gratis, omdat we alleen het elektrisch veld op de frequentie die we nodig hebben voor het vliegen gebruiken. We hebben geen nieuwe actuator, geen nieuwe bedrading of iets dergelijks nodig. Het kost slechts ongeveer 3 procent meer energie om licht uit te stralen,” zegt Chen.

Het team ontdekte dat de toevoeging van zinkdeeltjes de kwaliteit van de actuator verminderde, dus werden ze alleen gemengd met de bovenste elastomeerlaag. Dit zorgde ervoor dat de actuator ongeveer 2,5 procent zwaarder werd, maar het kon licht uitstralen zonder de vluchtprestaties te beïnvloeden.

“We hebben veel zorg besteed aan het behoud van de kwaliteit van de elastomeerlagen tussen de elektroden. Het toevoegen van deze deeltjes was bijna alsof we stof aan onze elastomeerlaag toevoegden. Het vergde veel verschillende benaderingen en veel testen, maar we vonden een manier om de kwaliteit van de actuator te waarborgen,” zegt Kim.

Door de chemische combinatie van de zinkdeeltjes aan te passen, kan de lichtkleur worden gewijzigd. Het team creëerde oranje, groene en blauwe deeltjes, met elk een actuator die één vaste kleur uitstraalde.

Het team activeerde de actuatoren ook om meerkleurig en gepatroeerd licht uit te stralen door een masker over de bovenste laag te plaatsen, zinksulfaatdeeltjes toe te voegen en vervolgens de actuator te laten uitharden.

Bewegingstrackingsysteem

De volgende stap was om de mechanische eigenschappen van de actuatoren te testen en de intensiteit van het licht te meten. Ze voerden vluchttests uit met een speciaal ontworpen bewegingstrackingsysteem, met iPhone-camera’s die werden gebruikt om elk electroluminescent actuator te volgen, dat diende als een actief marker. Nadat de camera’s elk licht detecteren, volgt een computerprogramma de positie van de robots.

“We zijn erg trots op hoe goed het volgresultaat is, in vergelijking met de state-of-the-art. We gebruikten goedkope hardware, in vergelijking met de tienduizenden dollars die deze grote motion-trackingsystemen kosten, en de volgresultaten waren zeer dichtbij,” zegt Chen.

Het team zal nu proberen het bewegingstrackingsysteem te verbeteren om real-time tracking van de robots mogelijk te maken, evenals proberen de microbots in staat te stellen hun licht aan en uit te zetten tijdens de vlucht.