Insektsstora robotar avger ljus när de flyger

Ett team av forskare vid Massachusetts Institute of Technology inspirerades av eldflugor för att skapa mjuka aktuatorer som kan avge ljus i olika färger eller mönster när de flyger. De artificiella musklerna kontrollerar robotarnas vingar och lyser när de är i flygläge. Detta nya tillvägagångssätt erbjuder ett innovativt sätt att spåra de flygande robotarna och kan hjälpa dem att kommunicera. 

Den nya forskningen publicerades i IEEE Robotics and Automation Letters. 

De elektroluminescerande mjuka artificiella musklerna kan användas för en mängd olika tillämpningar. Till exempel kan robotarna spela en roll i en sök- och räddningsmission, där de kan hitta överlevande och signalera till andra robotar för hjälp. 

Spårning och kommunikationsaktivering

De mikroskala robotarna väger bara lite mer än en pappersklipp och deras förmåga att avge ljus kan hjälpa dem att flyga på egen hand utanför laboratoriemiljön. På grund av deras vikt kan forskarna inte bära några sensorer, vilket innebär att forskarna var tvungna att spåra dem med infraröda kameror som har svårt att fungera utomhus. Men teamet har kommit på en ny metod för att spåra dem genom att använda det ljus de avger och tre smartphonekameror. 

Kevin Chen är D. Reid Weedon, Jr. biträdande professor i avdelningen för elektroteknik och datavetenskap (EECS), chef för Soft and Micro Robotics Laboratory i Research Laboratory of Electronics (RLE) och senior författare till artikeln. 

“Om du tänker på storskaliga robotar kan de kommunicera med hjälp av många olika verktyg – Bluetooth, trådlös, allt möjligt. Men för en liten, energibegränsad robot tvingas vi att tänka på nya kommunikationsmetoder. Detta är ett stort steg mot att flyga dessa robotar i utomhusmiljöer där vi inte har ett vältrimmat, toppmodernt spårningssystem,” säger Chen.

Att göra mikrorobotar lysa

Teamet införlivade miniatyriserade elektroluminescerande partiklar i de artificiella musklerna, vilket bara lägger till 2,5 procent mer vikt utan att påverka robotens flygprestanda. 

Forskargruppen utvecklade tidigare en ny tillverkningsmetod för att bygga mjuka aktuatorer som fladdrar robotens vingar. De skapas genom att alternera ultratunna lager av elastomer och kolnanorörselektroder i en stapel innan de rullas upp till en mjuk cylinder. När en spänning appliceras på cylindern, kramar elektroderna elastomeren, och denna deformation orsakar att vingarna fladdrar. 

För att skapa den lysande aktuatorn placerade teamet elektroluminescerande zinksulfatpartiklar i elastomeren, men det krävde lite arbete. 

Forskarna var tvungna att skapa en elektrod som inte blockerar ljus. De gjorde detta genom att använda högt transparenta kolnanorör, som tillåter ljus att passera genom. Även med dessa nanorör krävde zinkpartiklarna fortfarande ett mycket starkt och högfrekvent elektriskt fält för att lysa. Det elektiska fältet exciterar elektronerna i zinkpartiklarna, vilket orsakar att de avger subatomära partiklar av ljus, eller fotoner. Ett starkt elektriskt fält skapades med en hög spänning i den mjuka aktuatorn, och det användes för att driva roboten i hög frekvens. Denna process tillåter partiklarna att lysa. 

“Traditionellt är elektroluminescerande material mycket energikrävande, men på något sätt får vi den elektroluminescensen gratis eftersom vi bara använder det elektriska fältet vid den frekvens vi behöver för flygning. Vi behöver inte ny aktivering, nya ledningar eller någonting. Det tar bara cirka 3 procent mer energi att lysa,” säger Chen.

Teamet upptäckte att tillägg av zinkpartiklar minskade kvaliteten på aktuatorn, så de blandades bara in i den övre elastomerlagret. Detta orsakade att aktuatorn blev cirka 2,5 procent tyngre, men den kunde avge ljus utan att påverka flygprestandan. 

“Vi lade ner mycket omsorg i att upprätthålla kvaliteten på elastomerlagren mellan elektroderna. Att lägga till dessa partiklar var nästan som att lägga till damm i vårt elastomerlager. Det krävde många olika tillvägagångssätt och mycket testning, men vi kom på ett sätt att säkerställa kvaliteten på aktuatorn,” säger Kim.

Genom att justera den kemiska kombinationen av zinkpartiklarna kan ljusfärgen ändras. Teamet skapade orange, gröna och blå partiklar, med varje aktuator som lyser en fast färg. 

Teamet aktiverade också aktuatorerna för att avge flerfärgat och mönstrat ljus genom att placera en mask över det övre lagret, lägga till zinkpartiklar och sedan härdade aktuatorn. 

Rörelsespårningssystem

Nästa steg var att testa de mekaniska egenskaperna hos aktuatorerna och att mäta ljusintensiteten. De körde flygtester med ett särskilt utformat rörelsespårningssystem, med iPhone-kameror som användes för att spåra varje elektroluminescerande aktuator, som fungerade som en aktiv markör. Efter att kamerorna upptäckt varje ljusfärg spårar en datorprogram robotarnas position.

“Vi är mycket stolta över hur bra spårningsresultatet är, jämfört med den senaste utvecklingen. Vi använde billigt hårdvara, jämfört med de tiotusentals dollar som dessa stora rörelsespårningssystem kostar, och spårningsresultaten var mycket nära,” säger Chen.

Teamet kommer nu att försöka förbättra rörelsespårningssystemet för att möjliggöra realtids-spårning av robotarna, samt försöka aktivera mikrobotarna för att slå på och av deras ljus under flygning.