Roboții la scară de insecte emit lumină atunci când zboară

O echipă de cercetători de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a fost inspirată de lămpițe pentru a crea actuatoare moi care pot emite lumină în diferite culori sau modele atunci când zboară. Mușchii artificiali controlează aripile roboților zburători, iar aceștia se aprind atunci când sunt în modul de zbor. Această nouă abordare oferă o modalitate inovatoare de a urmări roboții zburători și ar putea ajuta la comunicarea lor.

Noua cercetare a fost publicată în IEEE Robotics and Automation Letters.

Actuatorii moi electroluminescenți ar putea fi utilizați în diverse aplicații. De exemplu, roboții ar putea juca un rol într-o misiune de căutare și salvare, unde ar putea găsi supraviețuitori și semnala altor roboți pentru ajutor.

Urmarirea și activarea comunicării

Roboții microscopici cântăresc doar puțin mai mult decât o clipă, iar capacitatea lor de a emite lumină ar putea ajuta la zborul lor singur în afara laboratorului. Din cauza greutății lor, micro-roboții nu pot transporta senzori, ceea ce înseamnă că cercetătorii trebuiau să îi urmărească cu camere infraroșii care se luptă în exterior. Cu toate acestea, echipa a găsit o metodă nouă de a-i urmări, utilizând lumina pe care o emit și trei camere de smartphone.

Kevin Chen este profesor asistent D. Reid Weedon, Jr. în Departamentul de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor (EECS), șeful Laboratorului de Robotică Moale și Micro din Laboratorul de Cercetare Electronică (RLE) și autorul principal al articolului.

“Dacă vă gândiți la roboți de scară largă, aceștia pot comunica utilizând diverse instrumente – Bluetooth, wireless, toate aceste lucruri. Dar pentru un robot mic, constrâns de putere, suntem obligați să ne gândim la noi moduri de comunicare. Acesta este un pas important spre zborul acestor roboți în medii exterioare în care nu avem un sistem de urmărire a mișcării bine pus la punct”, spune Chen.

Facerea roboților microscopici să strălucească

Echipa a încorporat particule electroluminescente minuscule în mușchii artificiali, ceea ce adaugă doar 2,5% mai multă greutate fără a afecta performanța de zbor a robotului.

Grupul de cercetători a dezvoltat anterior o nouă tehnică de fabricație pentru a construi actuatoare moi care fluturează aripile robotului. Acestea sunt create prin alternarea straturilor subțiri de elastomer și electrozi de nanotuburi de carbon într-un stivuit înainte de a fi rulat într-un cilindru moale. După aplicarea unui voltaj la cilindru, electrozii strâng elastomerul, iar această tensiune face ca aripile să fluture.

Pentru a crea actuatorul care strălucește, echipa a plasat particule de sulfat de zinc electroluminescent în elastomer, dar acest lucru a necesitat o serie de lucrări.

Cercetătorii au trebuit mai întâi să creeze un electrod care nu ar bloca lumina. Au făcut acest lucru utilizând nanotuburi de carbon foarte transparente, care permit luminii să treacă. Chiar și cu aceste nanotuburi, particulele de zinc au necesitat un câmp electric foarte puternic și de înaltă frecvență pentru a se aprinde. Câmpul electrostatic excită electronii din particulele de zinc, făcând ca acestea să emită particule subatomice de lumină, sau fotoni. Un câmp electric puternic a fost creat cu un voltaj ridicat în actuatorul moale și a fost utilizat pentru a conduce robotul la o frecvență ridicată. Acest proces a permis particulelor să se aprindă.

“În mod tradițional, materialele electroluminescente sunt foarte costisitoare din punct de vedere energetic, dar într-un anumit sens, obținem acea electroluminescență gratuit, deoarece pur și simplu utilizăm câmpul electric la frecvența pe care o necesităm pentru zbor. Nu avem nevoie de o nouă acționare, de noi fire sau de altceva. Acest lucru necesită doar cu aproximativ 3% mai multă energie pentru a emite lumină”, spune Chen.

Echipa a aflat că adăugarea particulelor de zinc a redus calitatea actuatorului, astfel încât acestea au fost amestecate doar în stratul superior de elastomer. Acest lucru a făcut ca actuatorul să fie cu aproximativ 2,5% mai greu, dar a putut emite lumină fără a afecta performanța de zbor.

“Am pus multă grijă în menținerea calității straturilor de elastomer între electrozi. Adăugarea acestor particule a fost aproape ca adăugarea de praf în stratul nostru de elastomer. A necesitat multe abordări diferite și o mulțime de teste, dar am găsit o modalitate de a asigura calitatea actuatorului”, spune Kim.

Prin ajustarea combinației chimice a particulelor de zinc, culoarea luminii poate fi schimbată. Echipa a creat particule portocalii, verzi și albastre, cu fiecare actuator strălucind o singură culoare solidă.

Echipa a permis, de asemenea, ca actuatoarele să emită lumină multicoloră și modelată, plasând o mască peste stratul superior, adăugând particule de zinc și apoi curând actuatorul.

Sistem de urmărire a mișcării

Următorul pas a fost de a testa proprietățile mecanice ale actuatorilor și de a măsura intensitatea luminii. Ei au efectuat teste de zbor cu un sistem de urmărire a mișcării special conceput, utilizând camere iPhone pentru a urmări fiecare actuator electroluminescent, care a servit ca marcă activă. După ce camerele detectează fiecare culoare a luminii, un program de calculator urmărește poziția roboților.

“Suntem foarte mândri de cât de bun este rezultatul urmăririi, comparativ cu cel mai bun din domeniu. Am utilizat hardware ieftin, comparativ cu zecile de mii de dolari pe care le costă aceste sisteme de urmărire a mișcării de mare scară, și rezultatele urmăririi au fost foarte apropiate”, spune Chen.

Echipa va încerca acum să îmbunătățească sistemul de urmărire a mișcării pentru a permite urmărirea în timp real a roboților, precum și pentru a încerca să permită micro-roboților să-și aprindă și să-și stingă lumina în timpul zborului.