Insekt-størrelse roboter sender lys når de flyr

Et team av forskere ved Massachusetts Institute of Technology ble inspirert av lysende biller til å lage myke aktuatorer som kan sende lys i forskjellige farger eller mønster når de flyr. De kunstige musklene kontrollerer vingene på flyrobotene, og de lyser opp når de er i flymodus. Dette nye tilnærmingen gir en innovativ måte å spore flyrobotene og kan hjelpe dem å kommunisere. 

Den nye forskningen ble publisert i IEEE Robotics and Automation Letters. 

De elektroluminescente myke kunstige musklene kunne brukes til en rekke anvendelser. For eksempel kunne robotene spille en rolle i en søk- og redningsoppdrag, hvor de kunne finne overlevende og signalisere til andre roboter om hjelp. 

Sporing og kommunikasjon

De mikroskale robotene veier bare litt mer enn en papirklipp, og deres evne til å sende lys kunne hjelpe dem å fly på egen hånd utenfor laboratoriemiljøet. På grunn av deres vekt, kan ikke mikrobotene bære noen sensorer, så forskerne måtte spore dem med infrarøde kameraer som sliter utendørs. Imidlertid har teamet kommet opp med en ny metode for å spore dem ved å bruke lyset de sender og tre smartphone-kameraer. 

Kevin Chen er D. Reid Weedon, Jr. Assistant Professor i avdelingen for elektroteknikk og datavitenskap (EECS), leder av Soft and Micro Robotics Laboratory i Research Laboratory of Electronics (RLE), og seniorforfatter av artikkelen. 

“Hvis du tenker på store roboter, kan de kommunisere ved hjelp av mange forskjellige verktøy – Bluetooth, trådløs, alle slags ting. Men for en liten, strøm-begrenset robot, må vi tenke på nye måter å kommunisere på. Dette er et stort skritt mot å fly disse robotene i utendørs miljøer hvor vi ikke har et godt tilpasset, state-of-the-art sporingsystem,” sier Chen.

Å gjøre mikroroboter gløde

Teamet innlemmet miniskule elektroluminescente partikler i de kunstige musklene, som bare legger til 2,5 prosent mer vekt uten å påvirke flyytelsen til roboten. 

Forskergruppen hadde tidligere utviklet en ny fabrikasjonsmetode for å bygge myke aktuatorer som flapper vingene på roboten. De er laget ved å alternere ultratynne lag av elastomer og karbonnanorør-elektroder i en stabel før de rulles inn i en myk sylinder. Etter at en spenning blir applisert til sylinderen, komprimerer elektrodene elastomeret, og denne strekningen forårsaker at vingene flapper. 

For å lage den glødende aktuatoren, plasserte teamet elektroluminescente sink-sulfat-partikler i elastomeret, men dette krevde litt arbeid. 

Forskerne måtte først lage en elektrode som ikke ville blokkere lyset. De gjorde dette ved å bruke høyt gjennomsiktige karbonnanorør, som tillater lyset å passere gjennom. Selv med disse nanorørene, trengte sink-partiklene fortsatt en svært sterk og høyfrekvent elektrisk felt for å lyse opp. Det elektriske feltet exciterer elektronene i sink-partiklene, som forårsaker at disse sender ut underatomiske partikler av lys, eller fotoner. Et sterkt elektrisk felt ble deretter skapt med en høy spenning i den myke aktuatoren, og det ble brukt til å drive roboten med høy frekvens. Denne prosessen tillot partiklene å lyse opp. 

“Tradisjonelt sett er elektroluminescente materialer svært energikostbare, men på en måte får vi denne elektroluminescensen gratis, fordi vi bare bruker det elektriske feltet ved den frekvensen vi trenger for å fly. Vi trenger ikke ny aktivering, nye ledninger eller noe. Det tar bare om lag 3 prosent mer energi å sende ut lys,” sier Chen.

Teamet fant ut at tilføyelsen av sink-partikler reduserte kvaliteten på aktuatoren, så de ble bare blandet inn i den øverste elastomer-laget. Dette forårsaket at aktuatoren ble om lag 2,5 prosent tyngre, men den kunne sende lys uten å påvirke flyytelsen. 

“Vi la ned mye omsorg i å vedlikeholde kvaliteten på elastomer-lagene mellom elektrodene. Tilføyelsen av disse partiklene var nesten som å legge til støv i vårt elastomer-lag. Det tok mange forskjellige tilnærminger og mye testing, men vi kom opp med en måte å sikre kvaliteten på aktuatoren,” sier Kim.

Ved å justere den kjemiske kombinasjonen av sink-partiklene, kan lysets farge endres. Teamet lagde oransje, grønne og blå partikler, med hver aktuator som sender ut en fast farge. 

Teamet aktiverer også aktuatorer til å sende ut flerfargede og mønster-lrys ved å plassere en maske over det øverste laget, legge til sink-partikler, og deretter herde aktuatoren. 

Bevegelsessporingssystem

Neste skritt var å teste de mekaniske egenskapene til aktuatorer og å måle intensiteten av lyset. De kjørte flytest med et spesielt designet bevegelsessporingssystem, med iPhone-kameraer som ble brukt til å spore hver elektroluminescent aktuator, som fungerte som en aktiv merke. Etter at kameraene detekterer hver lysfarge, sporer en dataprogrammering posisjonen til robotene.

“Vi er svært stolte av hvor godt sporingsresultatet er, sammenlignet med state-of-the-art. Vi brukte billig hårdtware, sammenlignet med de titusener av dollar disse store bevegelsessporingssystemene koster, og sporingsresultatene var svært nære,” sier Chen.

Teamet vil nå se på å forbedre bevegelsessporingssystemet for å aktivere sanntids-sporing av robotene, samt prøve å aktivere mikrobotene til å skru lyset av og på under flyging.