昆虫大小的机器人可以在飞行时发光

麻省理工学院的一组研究人员从萤火虫中得到了启发，创造了可以在飞行时发出不同颜色或图案的光的软执行器。这些人工肌肉控制着飞行机器人的翅膀，并在飞行模式下发光。这种新方法提供了一种创新性的方法来跟踪飞行机器人，并可能帮助它们进行通信。

这项新研究发表在 IEEE 机器人和自动化信件 上。

这些电致发光的软人工肌肉可以用于各种应用。例如，机器人可以在搜索和救援任务中发挥作用，找到幸存者并向其他机器人发出求救信号。

跟踪和启用通信

这些微型机器人重量仅略大于一个回形针，它们发光的能力可以帮助它们在实验室外独立飞行。由于它们的重量，微机器人无法携带任何传感器，这意味着研究人员必须使用红外摄像头来跟踪它们，但这些摄像头在户外会遇到困难。然而，研究团队已经想出了一个使用三部智能手机摄像头和机器人发出的光来跟踪它们的新方法。

Kevin Chen 是电气工程和计算机科学系（EECS）的 D. Reid Weedon, Jr. 助理教授，也是电子研究实验室（RLE）中软体和微型机器人实验室的负责人，并且是论文的首席作者。

“如果你想到大型机器人，它们可以使用许多不同的工具进行通信——蓝牙、无线等。但对于一个小型、受限的机器人，我们必须思考新的通信方式。这是一个重要的步骤，朝着在户外环境中飞行这些机器人迈进，在那里我们没有一个完善的、最先进的运动跟踪系统，” 陈说。

使微机器人发光

研究团队将微小的电致发光颗粒嵌入人工肌肉中，这只增加了 2.5% 的重量，并没有影响机器人的飞行性能。

研究人员之前开发了一种新的制造技术来制造软执行器，这些执行器可以使机器人的翅膀扇动。它们是通过交替叠加超薄的弹性体和碳纳米管电极层而制成的，然后将其卷成一个柔软的圆柱体。在电压施加到圆柱体后，电极会挤压弹性体，这种应变会导致翅膀扇动。

为了制造发光的执行器，研究团队将电致发光的锌硫酸盐颗粒放入弹性体中，但这需要一些工作。

研究人员首先必须创建一个不会阻挡光线的电极。他们使用了高度透明的碳纳米管，这些管道允许光线通过。即使使用这些纳米管，锌颗粒仍然需要一个非常强大和高频的电场才能发光。电场激发了锌颗粒中的电子，导致它们发射出光子。然后，一个强大的电场在软执行器中创建，并以高频率驱动机器人。这一过程使颗粒发光。

“传统上，电致发光材料的能量成本很高，但在某种意义上，我们可以免费获得电致发光，因为我们只使用飞行所需的频率的电场。我们不需要新的执行器、新电线或其他东西。它只需要多 3% 的能量来发出光，” 陈说。

研究团队发现，添加锌颗粒会降低执行器的质量，因此它们只混合到顶层弹性体中。这使得执行器大约重 2.5% ，但它可以发光而不会影响飞行性能。

“我们非常小心地保持了电极之间的弹性体层的质量。添加这些颗粒几乎就像在我们的弹性体层中添加尘埃一样。它需要很多不同的方法和大量的测试，但我们想出了一个方法来确保执行器的质量，” 金说。

通过调整锌颗粒的化学组成，可以改变光的颜色。研究团队创建了橙色、绿色和蓝色的颗粒，每个执行器发出一种纯色。

研究团队还使执行器能够发出多种颜色和图案的光，方法是将遮罩放在顶层上，添加锌颗粒，然后固化执行器。

运动跟踪系统

下一步是测试执行器的机械性能并测量光的强度。他们使用专门设计的运动跟踪系统进行飞行测试，使用 iPhone 相机来跟踪每个电致发光执行器，这些执行器作为主动标记。相机检测到每种光颜色后，计算机程序跟踪机器人的位置。

“我们为跟踪结果的质量感到非常自豪，相比最先进的技术来说，我们使用的是廉价的硬件，相比那些大型运动跟踪系统的数万美元的成本，跟踪结果非常接近，” 陈说。

研究团队现在将致力于增强运动跟踪系统，以实现机器人的实时跟踪，以及尝试使微机器人在飞行过程中打开和关闭光。