Uçarken Işık Yayan Böcek Ölçeğinde Robotlar

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki bir araştırma ekibi, uçarken farklı renklerde veya desenlerde ışık yayabilen yumuşak aktüatörler oluşturmak için ateşböceklerinden esinlendi. Yapay kaslar, uçan robotların kanatlarını kontrol ediyor ve uçuş modundayken aydınlanıyorlar. Bu yeni yaklaşım, uçan robotları izlemek ve onlara iletişim sağlamak için yenilikçi bir yol sunuyor.

Yeni araştırma, IEEE Robotics and Automation Letters‘de yayınlandı.

Elektrolüminesanslı yumuşak yapay kaslar, arama ve kurtarma görevleri gibi çeşitli uygulamalar için kullanılabilir. Örneğin, robotlar, diğer robotlara yardım için sinyal verebilecek şekilde hayatta kalanları bulabilirler.

İletişim Sağlama ve İzleme

Mikroskobik robotlar, bir kırtasiye klipsinden biraz daha ağır ve ışık yayma yetenekleri, onları laboratuvar ortamının dışında kendi başlarına uçurmalarına yardımcı olabilir. Ancak, ağırlıkları nedeniyle, robotlar hiçbir sensör taşıyamaz, bu nedenle araştırmacılar onları dışarıda mücadele eden kızılötesi kameralarla izlemek zorunda kalırlar. Ancak, ekip, ışıklarını kullanarak ve üç akıllı telefon kamerası kullanarak onları izlemek için yeni bir yöntem geliştirdi.

Kevin Chen, Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi (EECS) bölümünde D. Reid Weedon, Jr. Asistan Profesörü, Araştırma Laboratuvarı Elektronik (RLE) bünyesindeki Yumuşak ve Mikro Robotik Laboratuvarı başkanı ve makalenin kıdemli yazarı.

“Büyük ölçekli robotları düşünün, onlar birçok farklı araçla iletişim kurabilir – Bluetooth, kablosuz, tüm bu tür şeyler. Ancak küçük, güç kısıtlamalı bir robot için, yeni iletişim yöntemleri düşünmek zorundayız. Bu, dış ortamlarda, iyi ayarlanmış, state-of-the-art bir hareket izleme sistemine sahip olmadığımız durumlarda bu robotları uçurmaya önemli bir adımdır,” diyor Chen.

Mikro Robotları Parlatma

Ekip, yapay kaslara minik elektrolüminesans partiküller yerleştirdi, bu da sadece %2,5 daha fazla ağırlık ekledi ve robotun uçuş performansını etkilemedi.

Araştırmacılar daha önce, robotun kanatlarını çırpan yumuşak aktüatörler oluşturmak için yeni bir üretim tekniği geliştirdiler. Bunlar, elastomer ve karbon nanotüplü elektrotların alternatif ultrince katmanlarından oluşur ve bir silindir haline getirilir. Silindire bir voltaj uygulandığında, elektrotlar elastomeri sıkıştırır ve bu da kanatların çırpmasına neden olur.

Parlayan aktüatörü oluşturmak için, ekip elastomerin içine elektrolüminesans çinko sülfat partikülleri yerleştirdi, ancak bu bazı çalışmalara ihtiyaç duyuldu.

Araştırmacılar önce, ışığı engellemeyen bir elektrot oluşturmak zorunda kaldılar. Bunu, ışığın geçmesine izin veren yüksek şeffafiyetli karbon nanotüpler kullanarak yaptılar. Bu nanotüplerle bile, çinko partikülleri aydınlanmak için çok güçlü ve yüksek frekanslı bir elektrik alanına ihtiyaç duyuyordu. Elektromanyetik alan, çinko partikülerindeki elektronları uyarmış ve bunların fotonlar yaymasına neden olmuştur. Yüksek voltajlı bir elektrik alanı oluşturmak için yumuşak aktüatörde yüksek bir voltaj kullanıldı ve bu, robotu yüksek frekansla çalıştırmak için kullanıldı. Bu işlem, partiküllerin aydınlanmasını sağladı.

“Geleneksel olarak, elektrolüminesanslı malzemeler çok enerji yoğun olur, ancak bir anlamda, bu elektrolüminansansı bedava alıyoruz, çünkü sadece uçmak için ihtiyaç duyduğumuz frekansdaki elektrik alanını kullanıyoruz. Yeni bir aktüatör, yeni teller veya herhangi bir şey gerekmez. Sadece %3 daha fazla enerji ile ışık yayabiliriz,” diyor Chen.

Ekip, çinko partiküllerinin aktüatörün kalitesini azalttığını öğrendi, bu nedenle bunlar sadece üst elastomer katmanına karıştırıldı. Bu, aktüatörün yaklaşık %2,5 daha ağır olmasına neden oldu, ancak uçuş performansını etkilemeden ışık yayabilirdi.

“Elastomer katmanları arasındaki kaliteyi korumak için çok özen gösterdik. Bu partikülleri eklemek, elastomer katmanımıza toz eklemek gibi bir şeydi. Farklı yaklaşımlar denedik ve çok test ettik, ancak aktüatörün kalitesini korumak için bir yol bulduk,” diyor Kim.

Çinko partiküllerinin kimyasal bileşimini ayarlayarak, ışık rengini değiştirmek mümkün. Ekip, turuncu, yeşil ve mavi partiküller oluşturdu ve her aktüatör tek bir renk yaydı.

Ekip, ayrıca aktüatörlerin çok renkli ve desenli ışık yaymasını sağladı, üst katmana bir maske yerleştirerek, çinko partikülleri ekleyerek ve sonra aktüatörü kürledi.

Hareket İzleme Sistemi

Sonraki adım, aktüatörlerin mekanik özelliklerini test etmek ve yaydıkları ışığın yoğunluğunu ölçmekti. Özel olarak tasarlanmış bir hareket izleme sistemiyle uçuş testleri yaptılar, iPhone kameraları kullanılarak her bir elektrolüminesanslı aktüatör izlendi ve aktif bir işaretçi olarak görev yaptı. Kameralar her bir ışık rengini algıladıktan sonra, bir bilgisayar programı robotların konumunu izledi.

“İzleme sonucunun ne kadar iyi olduğuna çok gururluyuz, state-of-the-art ile karşılaştırıldığında. Biz ucuz donanım kullandık, bu büyük hareket izleme sistemlerinin maliyetinin on binlerce dolar olduğu düşünülürse ve izleme sonuçları çok yakın oldu,” diyor Chen.

Ekip, şimdi hareket izleme sistemini geliştirmeye çalışacak, böylece robotları gerçek zamanlı olarak izlemek ve mikro robotların uçuş sırasında ışıklarını açıp kapatmalarını sağlamak.