Roboty o rozmiarach owadów emitują światło podczas lotu

Zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology zainspirowany świetlikami stworzył miękkie siłowniki, które podczas lotu mogą emitować światło w różnych kolorach i wzorach. Sztuczne mięśnie kontrolują skrzydła latających robotów i świecą w trybie lotu. To nowe podejście zapewnia innowacyjny sposób śledzenia latających robotów i może pomóc im w komunikacji. 

Nowe badanie zostało opublikowane w Listy IEEE w zakresie robotyki i automatyzacji. 

Elektroluminescencyjne miękkie sztuczne mięśnie można wykorzystać do różnych zastosowań. Roboty mogłyby na przykład odegrać rolę w misji poszukiwawczo-ratowniczej, podczas której mogłyby znaleźć ocalałych i dać sygnał innym robotom o pomoc. 

Śledzenie i umożliwianie komunikacji

Roboty w mikroskali ważą tylko trochę więcej niż spinacz do papieru, a ich zdolność do emitowania światła może pomóc im w samodzielnym lataniu poza środowiskiem laboratoryjnym. Ze względu na swoją wagę mikroboty nie mogą przenosić żadnych czujników, co oznacza, że ​​badacze musieli je śledzić za pomocą kamer na podczerwień, które radzą sobie na zewnątrz. Zespół opracował jednak nową metodę ich śledzenia, wykorzystując emitowane przez nie światło i trzy aparaty w smartfonach. 

Kevin Chen jest adiunktem D. Reidem Weedonem Jr. na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (EECS), kierownikiem Laboratorium Robotyki Miękkiej i Mikrorobotyki w Laboratorium Badawczym Elektroniki (RLE) oraz starszym autorem książki papier. 

„Jeśli pomyślisz o robotach na dużą skalę, mogą one komunikować się za pomocą wielu różnych narzędzi – Bluetooth, bezprzewodowo i tym podobnych rzeczy. Jednak w przypadku małego robota o ograniczonej mocy jesteśmy zmuszeni pomyśleć o nowych sposobach komunikacji. To poważny krok w kierunku latania tymi robotami w środowiskach zewnętrznych, gdzie nie mamy dobrze dostrojonego, najnowocześniejszego systemu śledzenia ruchu” – mówi Chen.

Sprawianie, że mikroroboty świecą

Zespół umieścił w sztucznych mięśniach maleńkie cząstki elektroluminescencyjne, co zwiększyło wagę jedynie o 2.5%, nie wpływając przy tym na parametry lotu robota. 

Grupa badaczy opracowała wcześniej nową technikę wytwarzania miękkich siłowników machających skrzydłami robota. Powstają poprzez naprzemienne układanie w stos ultracienkich warstw elastomeru i nanorurek węglowych przed zwinięciem ich w giętki cylinder. Po przyłożeniu napięcia do cylindra elektrody ściskają elastomer, a to naprężenie powoduje trzepotanie skrzydełek. 

Aby stworzyć świecący element wykonawczy, zespół umieścił w elastomerze cząstki elektroluminescencyjnego siarczanu cynku, ale wymagało to trochę pracy. 

Naukowcy musieli najpierw stworzyć elektrodę, która nie blokowałaby światła. Dokonali tego za pomocą wysoce przezroczystych nanorurek węglowych, które przepuszczają światło. Nawet w przypadku tych nanorurek cząstki cynku nadal wymagały do ​​zapalenia bardzo silnego pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości. Pole elektryczne wzbudza elektrony w cząsteczkach cynku, powodując, że te ostatnie emitują subatomowe cząstki światła, czyli fotony. Następnie wytworzono silne pole elektryczne o wysokim napięciu w siłowniku miękkim, które posłużyło do napędzania robota z wysoką częstotliwością. Proces ten pozwolił cząstkom się zaświecić. 

„Tradycyjnie materiały elektroluminescencyjne są bardzo kosztowne energetycznie, ale w pewnym sensie elektroluminescencję otrzymujemy za darmo, ponieważ wykorzystujemy po prostu pole elektryczne o częstotliwości potrzebnej do latania. Nie potrzebujemy nowego mechanizmu uruchamiającego, nowych przewodów ani niczego. Do wyemitowania światła potrzeba tylko około 3 procent więcej energii” – mówi Chen.

Zespół dowiedział się, że dodatek cząstek cynku obniżył jakość siłownika, dlatego domieszano je jedynie do górnej warstwy elastomeru. Spowodowało to, że siłownik był o około 2.5 procent cięższy, ale mógł emitować światło bez wpływu na wydajność lotu. 

„Przykładamy dużą wagę do utrzymania jakości warstw elastomeru pomiędzy elektrodami. Dodanie tych cząstek było prawie jak dodanie kurzu do naszej warstwy elastomeru. Wymagało to wielu różnych podejść i wielu testów, ale znaleźliśmy sposób, aby zapewnić jakość siłownika” – mówi Kim.

Dostosowując skład chemiczny cząstek cynku, można zmienić barwę światła. Zespół stworzył cząstki pomarańczowe, zielone i niebieskie, przy czym każdy siłownik świecił jednym jednolitym kolorem. 

Zespół umożliwił także siłownikom emisję wielobarwnego i wzorzystego światła, umieszczając maskę na górnej warstwie, dodając cząstki cynku, a następnie utwardzając siłownik. 

System śledzenia ruchu

Kolejnym krokiem było sprawdzenie właściwości mechanicznych siłowników oraz pomiar natężenia światła. Przeprowadzili testy w locie ze specjalnie zaprojektowanym systemem śledzenia ruchu, przy użyciu kamer iPhone'a do śledzenia każdego elektroluminescencyjnego siłownika, który służył jako aktywny znacznik. Gdy kamery wykryją każdy kolor światła, program komputerowy śledzi położenie robotów.

„Jesteśmy bardzo dumni z tego, jak dobry jest wynik śledzenia w porównaniu z najnowszym stanem wiedzy. Używaliśmy taniego sprzętu w porównaniu z dziesiątkami tysięcy dolarów, jakie kosztują te duże systemy śledzenia ruchu, a wyniki śledzenia były bardzo zbliżone” – mówi Chen.

Zespół będzie teraz starał się ulepszyć system śledzenia ruchu, aby umożliwić śledzenie robotów w czasie rzeczywistym, a także spróbować umożliwić mikrobotom włączanie i wyłączanie światła podczas lotu.