Роботы размером с насекомых излучают свет при полете

Команда исследователей в Массачусетском технологическом институте была вдохновлена светлячками, чтобы создать мягкие актуаторы, которые могут излучать свет разного цвета или узора при полете. Искусственные мышцы контролируют крылья летающих роботов, и они загораются, когда находятся в режиме полета. Этот новый подход обеспечивает инновационный способ отслеживать летающих роботов и может помочь им общаться.

Новое исследование было опубликовано в IEEE Robotics and Automation Letters.

Электролюминесцентные мягкие искусственные мышцы могут быть использованы для различных применений. Например, роботы могут сыграть роль в поисково-спасательной миссии, где они могут найти выживших и подать сигнал другим роботам о помощи.

Отслеживание и обеспечение связи

Микроскопические роботы весом всего немного больше бумажного скрепки, и их способность излучать свет может помочь им летать самостоятельно вне лабораторной среды. Из-за их веса микророботы не могут нести никаких датчиков, что означает, что исследователи должны были отслеживать их с помощью инфракрасных камер, которые испытывают трудности на открытом воздухе. Однако команда разработала новый метод отслеживания их с помощью света, который они излучают, и трех камер смартфона.

Кевин Чен является доцентом кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS), руководителем лаборатории мягкой и микророботики в исследовательской лаборатории электроники (RLE) и старшим автором статьи.

“Если вы думаете о больших роботах, они могут общаться с помощью множества различных инструментов – Bluetooth, беспроводной связи и т. д. Но для крошечного, ограниченного по мощности робота нам приходится думать о новых режимах связи. Это значительный шаг к полету этих роботов в наружных средах, где у нас нет хорошо настроенной, современной системы отслеживания движения”, – говорит Чен.

Сделать микророботов светящимися

Команда внедрила крошечные электролюминесцентные частицы в искусственные мышцы, что добавляет всего 2,5 процента веса без влияния на характеристики полета робота.

Группа исследователей ранее разработала новый метод изготовления мягких актуаторов, которые могут махать крыльями робота. Они создаются путем чередования ультратонких слоев эластомера и электродов из углеродных нанотрубок в стопке, прежде чем свернуть их в скользкий цилиндр. После применения напряжения к цилиндру электроды сжимают эластомер, и это растяжение вызывает махание крыльев.

Чтобы создать светящийся актуатор, команда поместила электролюминесцентные частицы сульфата цинка в эластомер, но это потребовало некоторой работы.

Исследователи сначала должны были создать электрод, который не блокировал бы свет. Они сделали это, используя высокопрозрачные углеродные нанотрубки, которые позволяют свету проходить через них. Даже с этими нанотрубками частицы цинка все еще требовали очень сильного и высокочастотного электрического поля, чтобы загореться. Электрополе возбуждает электроны в частицах цинка, вызывая излучение податомных частиц света, или фотонов. Сильное электрическое поле было создано с помощью высокого напряжения в мягком актуаторе, и оно использовалось для управления роботом на высокой частоте. Этот процесс позволил частицам загореться.

“Традиционно электролюминесцентные материалы очень дороги с точки зрения энергии, но в某ком смысле мы получаем эту электролюминесценцию бесплатно, потому что мы просто используем электрическое поле на частоте, необходимой для полета. Нам не нужно новое управление, новые провода или что-либо еще. Это требует всего лишь около 3 процентов больше энергии, чтобы светиться”, – говорит Чен.

Команда обнаружила, что добавление частиц цинка снижает качество актуатора, поэтому они были смешаны только в верхний слой эластомера. Это вызвало увеличение веса актуатора на 2,5 процента, но он мог излучать свет без влияния на характеристики полета.

“Мы уделяли много внимания поддержанию качества слоев эластомера между электродами. Добавление этих частиц было почти как добавление пыли в наш слой эластомера. Это потребовало множества различных подходов и многочисленных испытаний, но мы разработали способ обеспечить качество актуатора”, – говорит Ким.

Изменяя химическую комбинацию частиц цинка, можно изменить цвет света. Команда создала оранжевые, зеленые и синие частицы, причем каждый актуатор светился одним сплошным цветом.

Команда также обеспечила возможность актуаторам излучать многоцветный и узорчатый свет, поместив маску на верхний слой, добавив частицы цинка, а затем отверждая актуатор.

https://www.youtube.com/watch?v=V5ZJOhkSRWk&t=2s

Система отслеживания движения

Следующим шагом было тестирование механических свойств актуаторов и измерение интенсивности света. Они провели испытания полета с помощью специально разработанной системы отслеживания движения, используя камеры iPhone для отслеживания каждого электролюминесцентного актуатора, который служил активным маркером. После обнаружения каждого цвета света компьютерная программа отслеживает положение роботов.

“Мы очень гордимся тем, насколько хорош результат отслеживания по сравнению с современным уровнем. Мы использовали дешевое оборудование по сравнению с системами отслеживания движения, которые стоят десятки тысяч долларов, и результаты отслеживания были очень близки”, – говорит Чен.

Команда теперь намерена улучшить систему отслеживания движения, чтобы обеспечить отслеживание роботов в реальном времени, а также попытаться включить и выключить свет микророботов во время полета.