Роботи розміру комах випромінюють світло під час польоту

Команда дослідників з Масачусетського технологічного інституту створила м’які актуатори, які можуть випромінювати світло різних кольорів або узорів під час польоту, надихнувшись світлячками. Штучні м’язи контролюють крила літаючих роботів, і вони світяться під час польоту. Цей новий підхід забезпечує інноваційний спосіб відстежування літаючих роботів і може допомогти їм спілкуватися.

Нові дослідження були опубліковані в IEEE Robotics and Automation Letters.

Електролюмінесцентні м’які штучні м’язи можуть бути використані для різних застосунків. Наприклад, роботів можна використовувати для пошуково-рятувальних місій, де вони можуть знайти виживших і сигналізувати іншим роботам про допомогу.

Відстеження та забезпечення спілкування

Мікророботи важать трохи більше, ніж канцелярська скріпка, і їхня здатність випромінювати світло може допомогти їм літати самостійно поза лабораторним середовищем. Через їхню вагу мікророботи не можуть нести сенсори, тому їм доводиться відстежувати їх за допомогою інфрачервоних камер, які мають труднощі на відкритому повітрі. Однак команда розробила новий метод відстеження їх за допомогою світла, яке вони випромінюють, і трьох камер смартфонів.

Кевін Чен – асистент-професор імені D. Reid Weedon, Jr. у галузі електротехніки та комп’ютерних наук (EECS), голова лабораторії м’якої та мікроробототехніки в дослідницькій лабораторії електроніки (RLE), і старший автор статті.

“Якщо ви думаєте про великомасштабні роботи, вони можуть спілкуватися за допомогою багатьох інструментів – Bluetooth, Wi-Fi та інших. Але для маленького, обмеженого енергією робота нам доводиться думати про нові способи спілкування. Це великий крок до польотів цих роботів у зовнішньому середовищі, де у нас немає добре налаштованої системи відстеження руху”, – говорить Чен.

Як змусити мікророботів світитися

Команда ввела мініатюрні електролюмінесцентні частинки в штучні м’язи, що додало лише 2,5% ваги без впливу на характеристики польоту робота.

Група дослідників раніше розробила нову технологію виготовлення м’яких актуаторів, які розмахують крилами робота. Вони складаються з чергування надтонких шарів еластомеру та електродів із вуглецевих нанотрубок у стосі, які потім скатуються у м’який циліндр. Після застосування напруги до циліндра електроди стискають еластомер, і це розтягування викликає розмахування крилами.

Щоб створити світлячий актуатор, команда розмістила електролюмінесцентні частинки сульфату цинку в еластомері, але це потребувало деякої роботи.

Дослідники спочатку створили електрод, який не блокував би світло. Вони зробили це, використовуючи високопрозорі вуглецеві нанотрубки, які дозволяють світлу проходити. Навіть з цими нанотрубками частинки цинку все ще потребували дуже сильного та високочастотного електричного поля, щоб засвітитися. Електричне поле збуджує електрони в частинках цинку, викликаючи випромінювання підатомних частинок світла, або фотонів. Сильне електричне поле було створено за допомогою високої напруги в м’якому актуаторі, і його використовували для руху робота на високій частоті. Цей процес дозволив частинкам засвітитися.

“Традиційно електролюмінесцентні матеріали дуже енергозатратні, але в певному сенсі ми отримуємо цю електролюмінесценцію безкоштовно, оскільки просто використовуємо електричне поле на частоті, необхідній для польоту. Нам не потрібно нової актуації, нових дротів чи чогось іншого. Це займає лише близько 3% більше енергії, щоб засвітитися”, – говорить Чен.

Команда дізналася, що додавання частинок цинку знижує якість актуатора, тому їх змішували лише у верхній шар еластомеру. Це викликало те, що актуатор став на 2,5% важчим, але він міг випромінювати світло без впливу на характеристики польоту.

“Ми доклали багато зусиль, щоб зберегти якість шарів еластомеру між електродами. Додавання цих частинок було майже як додавання пилу до нашого шару еластомеру. Це потребувало багатьох різних підходів і багато тестування, але ми знайшли спосіб зберегти якість актуатора”, – говорить Кім.

Регулюючи хімічну комбінацію частинок цинку, можна змінити колір світла. Команда створила частинки оранжевого, зеленого та синього кольорів, і кожен актуатор світився одним незмінним кольором.

Команда також змогла зробити актуатори, які випромінюють світло різних кольорів та узорів, накладаючи маску на верхній шар, додаючи частинки цинку, а потім затверднюючи актуатор.

Система відстеження руху

Наступним кроком було тестування механічних властивостей актуаторів та вимірювання інтенсивності світла. Вони провели польотні тести з спеціально розробленою системою відстеження руху, використовуючи камери iPhone для відстеження кожного електролюмінесцентного актуатора, який служив активним маркером. Після того, як камери виявляють кожен колір світла, комп’ютерна програма відстежує положення роботів.

“Ми дуже гордимося тим, як добре вийшло відстеження, порівняно з сучасним рівнем. Ми використовували дешеве обладнання, порівняно з десятками тисяч доларів, які коштують великі системи відстеження руху, і результати відстеження були дуже близькими”, – говорить Чен.

Команда тепер буде працювати над покращенням системи відстеження руху, щоб забезпечити відстеження в реальному часі роботів, а також спробувати дозволити мікророботам вмикати й вимикати світло під час польоту.