Robot Cỡ Côn Trùng Phát Sáng Khi Bay

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts đã được truyền cảm hứng từ đom đóm để tạo ra các bộ phận mềm có thể phát sáng với các màu sắc hoặc mẫu khác nhau khi bay. Các cơ nhân tạo này kiểm soát các cánh của robot bay và chúng phát sáng khi ở chế độ bay. Cách tiếp cận mới này cung cấp một cách sáng tạo để theo dõi các robot bay và có thể giúp chúng giao tiếp.

Nghiên cứu mới này đã được công bố trên IEEE Robotics and Automation Letters.

Các cơ nhân tạo mềm điện phát sáng có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, các robot này có thể đóng vai trò trong một nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ, nơi chúng có thể tìm thấy những người sống sót và gửi tín hiệu đến các robot khác để giúp đỡ.

Theo Dõi và Kích Hoạt Truyền Thông

Các robot vi mô chỉ nặng hơn một chút so với một kẹp giấy, và khả năng phát sáng của chúng có thể giúp chúng bay một mình bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm. Vì trọng lượng của chúng, các microbot không thể mang bất kỳ cảm biến nào, điều này có nghĩa là các nhà nghiên cứu phải theo dõi chúng bằng máy ảnh hồng ngoại, điều này gặp khó khăn khi ở ngoài trời. Tuy nhiên, nhóm đã nghĩ ra một phương pháp mới để theo dõi chúng bằng cách sử dụng ánh sáng chúng phát ra và ba máy ảnh điện thoại thông minh.

Kevin Chen là giáo sư trợ lý tại Bộ môn Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính (EECS), người đứng đầu Phòng thí nghiệm Robot mềm và Vi mô trong Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử (RLE), và là tác giả chính của bài báo.

“Nếu bạn nghĩ về các robot quy mô lớn, chúng có thể giao tiếp bằng nhiều công cụ khác nhau – Bluetooth, không dây, tất cả những thứ như vậy. Nhưng đối với một robot nhỏ, bị giới hạn năng lượng, chúng tôi buộc phải nghĩ về các phương thức giao tiếp mới. Đây là một bước tiến lớn để bay các robot này trong môi trường ngoài trời, nơi chúng tôi không có hệ thống theo dõi chuyển động tinh vi, hiện đại,” Chen nói.

Làm Cho Các Robot Vi Mô Phát Sáng

Đội ngũ nghiên cứu đã nhúng các hạt điện phát sáng cực nhỏ vào các cơ nhân tạo, điều này chỉ thêm 2,5% trọng lượng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất bay của robot.

Nhóm các nhà nghiên cứu trước đó đã phát triển một kỹ thuật chế tạo mới để xây dựng các bộ phận mềm có thể làm cho các cánh của robot bay. Chúng được tạo ra bằng cách xen kẽ các lớp elastomer và điện cực carbon nanotube mỏng trong một chồng trước khi cuộn nó thành một hình trụ mềm. Sau khi áp dụng điện áp cho hình trụ, các điện cực sẽ ép elastomer, và sự biến dạng này sẽ khiến các cánh bay.

Để tạo ra bộ phận phát sáng, nhóm đã đặt các hạt kẽm sunfat điện phát sáng vào elastomer, nhưng điều này đòi hỏi một số công việc.

Các nhà nghiên cứu đầu tiên phải tạo ra một điện cực không chặn ánh sáng. Họ đã làm điều này bằng cách sử dụng các ống nanotube carbon trong suốt, cho phép ánh sáng truyền qua. Ngay cả với các ống nanotube này, các hạt kẽm vẫn đòi hỏi một trường điện mạnh và tần số cao để phát sáng. Trường điện làm cho các electron trong các hạt kẽm bị kích thích, khiến chúng phát ra các photon. Một trường điện mạnh sau đó được tạo ra với điện áp cao trong bộ phận mềm, và nó được sử dụng để điều khiển robot ở tần số cao. Quá trình này cho phép các hạt phát sáng.

“Truyền thống, các vật liệu điện phát sáng rất tốn năng lượng, nhưng theo một cách nào đó, chúng tôi nhận được sự điện phát sáng miễn phí vì chúng tôi chỉ sử dụng trường điện ở tần số chúng tôi cần cho việc bay. Chúng tôi không cần các bộ phận mềm mới, dây mới, hoặc bất cứ thứ gì. Nó chỉ mất khoảng 3% năng lượng hơn để phát sáng,” Chen nói.

Đội ngũ nghiên cứu đã học được rằng việc bổ sung các hạt kẽm làm giảm chất lượng của bộ phận mềm, vì vậy chúng chỉ được trộn vào lớp elastomer trên cùng. Điều này khiến bộ phận mềm nặng hơn khoảng 2,5%, nhưng nó có thể phát sáng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất bay.

“Chúng tôi đã rất cẩn thận trong việc duy trì chất lượng của các lớp elastomer giữa các điện cực. Thêm các hạt này gần như thêm bụi vào lớp elastomer của chúng tôi. Nó đòi hỏi nhiều cách tiếp cận khác nhau và rất nhiều thử nghiệm, nhưng chúng tôi đã tìm ra cách để đảm bảo chất lượng của bộ phận mềm,” Kim nói.

Bằng cách điều chỉnh sự kết hợp hóa học của các hạt kẽm, màu sắc ánh sáng có thể được thay đổi. Đội ngũ nghiên cứu đã tạo ra các hạt màu cam, xanh lá cây và xanh da trời, với mỗi bộ phận mềm phát sáng một màu rắn.

Đội ngũ nghiên cứu cũng cho phép các bộ phận mềm phát ra ánh sáng đa màu và có họa tiết bằng cách đặt một mặt nạ lên lớp trên cùng, thêm các hạt kẽm, sau đó làm cứng bộ phận mềm.

Hệ Thống Theo Dõi Chuyển Động

Bước tiếp theo là kiểm tra các tính chất cơ học của các bộ phận mềm và đo cường độ ánh sáng. Họ đã chạy các thử nghiệm bay với một hệ thống theo dõi chuyển động đặc biệt, với máy ảnh iPhone được sử dụng để theo dõi mỗi bộ phận mềm điện phát sáng, hoạt động như một điểm đánh dấu hoạt động. Sau khi máy ảnh phát hiện màu sắc ánh sáng, một chương trình máy tính theo dõi vị trí của các robot.

“Chúng tôi rất tự hào về kết quả theo dõi tốt như thế nào, so với các hệ thống hiện đại. Chúng tôi đã sử dụng phần cứng rẻ tiền, so với hàng chục nghìn đô la mà các hệ thống theo dõi chuyển động lớn này chi phí, và kết quả theo dõi rất gần,” Chen nói.

Đội ngũ nghiên cứu sẽ tiếp tục cải tiến hệ thống theo dõi chuyển động để cho phép theo dõi thời gian thực của các robot, cũng như cố gắng kích hoạt các microbot bật và tắt ánh sáng của chúng trong khi bay.