Roboty w skali owadów emitują światło podczas lotu

Zespół badaczy z Massachusetts Institute of Technology zainspirował się świetlikami, aby stworzyć miękkie aktuatory, które mogą emitować światło w różnych kolorach lub wzorach podczas lotu. Sztuczne mięśnie kontrolują skrzydła latających robotów i świecą, gdy są w trybie lotu. To nowe podejście zapewnia innowacyjny sposób śledzenia latających robotów i może pomóc im w komunikacji.

Nowe badania zostały opublikowane w IEEE Robotics and Automation Letters.

Elektroluminescencyjne miękkie sztuczne mięśnie mogą być wykorzystywane w różnych aplikacjach. Na przykład, roboty mogą odegrać rolę w misji poszukiwawczo-ratunkowej, gdzie mogą znaleźć ocalałych i sygnalizować innym robotom o pomoc.

Śledzenie i umożliwienie komunikacji

Mikroskalowe roboty ważą niewiele więcej niż klips do papieru, a ich zdolność do emisji światła może pomóc im latać samodzielnie poza środowiskiem laboratoryjnym. Ze względu na ich wagę, mikroboty nie mogą przenosić żadnych czujników, co oznacza, że badacze musieli śledzić je za pomocą kamer podczerwieni, które mają trudności na zewnątrz. Jednak zespół opracował nową metodę śledzenia ich za pomocą światła, które emitują, oraz trzech kamer smartfona.

Kevin Chen jest D. Reid Weedon, Jr. adiunktem w Departamencie Inżynierii Elektrycznej i Nauki Komputerowej (EECS), kierownikiem Laboratorium Robotyki Miękkiej i Mikroskalowej w Laboratorium Badań Elektronicznych (RLE) i seniorem autorem artykułu.

“Jeśli myślimy o dużych robotach, mogą one komunikować się za pomocą wielu różnych narzędzi – Bluetooth, bezprzewodowe, wszystkie te rzeczy. Ale dla małego robota o ograniczonym budżecie energetycznym, musimy myśleć o nowych sposobach komunikacji. To jest duży krok w kierunku latania tych robotów w środowiskach zewnętrznych, gdzie nie mamy dobrze dostosowanego, najnowocześniejszego systemu śledzenia ruchu,” mówi Chen.

Czynienie mikrobotów świecącymi

Zespół osadził miniaturowe elektroluminescencyjne cząsteczki w sztucznych mięśniach, co dodaje tylko 2,5 procent więcej wagi, nie wpływając na wydajność lotu robota.

Grupa badaczy wcześniej opracowała nową technikę produkcji, aby zbudować miękkie aktuatory, które wprawiają skrzydła robota w ruch. Są one tworzone przez naprzemienne warstwy ultracienkich warstw elastomeru i elektrod z nanorurek węglowych w stosie, zanim zostaną zrolowane w miękki walec. Po zastosowaniu napięcia do walca, elektrody ściskają elastomer, co powoduje, że skrzydła uderzają.

Aby stworzyć świecący aktuator, zespół umieścił elektroluminescencyjne cząsteczki siarczanu cynku w elastomerze, ale wymagało to pewnej pracy.

Badacze najpierw musieli stworzyć elektrodę, która nie blokowałaby światła. Zrobili to, używając bardzo przeźroczystych nanorurek węglowych, które pozwalają na przejście światła. Nawet z tymi nanorurkami, cząsteczki cynku wymagały bardzo silnego i wysokiej częstotliwości pola elektrycznego, aby świecić. Pole elektryczne pobudza elektrony w cząsteczkach cynku, powodując, że emitują one subatomowe cząsteczki światła, czyli fotony. Silne pole elektryczne zostało następnie utworzone z wysokim napięciem w miękkim aktuatorze i zostało użyte do napędzania robota z wysoką częstotliwością. Ten proces pozwolił na świecenie cząsteczek.

“Tradycyjnie, elektroluminescencyjne materiały są bardzo energochłonne, ale w pewnym sensie, otrzymujemy tę elektroluminescencję za darmo, ponieważ po prostu używamy pola elektrycznego o częstotliwości, której potrzebujemy do latania. Nie potrzebujemy nowej aktywacji, nowych przewodów ani niczego. To wymaga tylko około 3 procent więcej energii, aby świecić,” mówi Chen.

Zespół dowiedział się, że dodanie cząsteczek cynku zmniejszyło jakość aktuatora, więc zostały one tylko wymieszane z górną warstwą elastomeru. Spowodowało to, że aktuator był o około 2,5 procent cięższy, ale mógł emitować światło bez wpływu na wydajność lotu.

“Włożyliśmy wiele troski w utrzymanie jakości warstw elastomeru między elektrodami. Dodanie tych cząsteczek było prawie jak dodanie pyłu do naszej warstwy elastomeru. To wymagało wielu różnych podejść i wiele testów, ale znaleźliśmy sposób, aby zapewnić jakość aktuatora,” mówi Kim.

Poprzez dostosowanie chemicznego składu cząsteczek cynku, kolor światła może być zmieniony. Zespół stworzył cząsteczki pomarańczowe, zielone i niebieskie, z każdym aktuatorem świecącym jednym stałym kolorem.

Zespół również umożliwił aktuatorom emitowanie światła wielokolorowego i o określonych wzorach, umieszczając maskę na górną warstwę, dodając cząsteczki cynku, a następnie utwardzając aktuator.

System śledzenia ruchu

Następnym krokiem było przetestowanie właściwości mechanicznych aktuatorów i pomiar intensywności światła. Przeprowadzono testy lotu z specjalnie zaprojektowanym systemem śledzenia ruchu, z kamerami iPhone’a używanymi do śledzenia każdego elektroluminescencyjnego aktuatora, który służył jako aktywny marker. Po wykryciu każdego koloru światła, program komputerowy śledzi położenie robotów.

“Jesteśmy bardzo dumni z tego, jak dobry jest wynik śledzenia, w porównaniu z najnowocześniejszymi systemami. Używaliśmy taniego sprzętu, w porównaniu z dziesiątkami tysięcy dolarów, które kosztują duże systemy śledzenia ruchu, a wyniki śledzenia były bardzo bliskie,” mówi Chen.

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