Świetliki, które oświetlają ciemne podwórka w ciepłe letnie wieczory, wykorzystują swoją luminescencję do komunikacji — aby zwabić partnera, odpędzić drapieżniki lub zwabić ofiarę.
Te migoczące błędy zainspirowały również naukowców z MIT. Czerpiąc inspirację z natury, zbudowali elektroluminescencyjne miękkie sztuczne mięśnie dla latających robotów w skali owadów. Maleńkie sztuczne mięśnie, które sterują skrzydłami robotów, emitują kolorowe światło podczas lotu.
Ta elektroluminescencja mogłaby umożliwić robotom komunikację między sobą. Jeśli na przykład zostanie wysłany z misją poszukiwawczo-ratowniczą do zawalonego budynku, robot, który znajdzie ocalałych, może użyć światła, aby dać innym sygnał i wezwać pomoc.
Zdolność do emitowania światła sprawia, że te mikroroboty, które ważą niewiele więcej niż spinacz do papieru, są o krok bliżej do samodzielnego wylatywania poza laboratorium. Roboty te są tak lekkie, że nie mogą nosić czujników, więc naukowcy muszą je śledzić za pomocą nieporęcznych kamer na podczerwień, które nie działają dobrze na zewnątrz. Teraz pokazali, że potrafią precyzyjnie śledzić roboty za pomocą emitowanego przez nie światła i zaledwie trzech kamer w smartfonach.
„Jeśli pomyślisz o robotach na dużą skalę, mogą one komunikować się za pomocą wielu różnych narzędzi – Bluetooth, sieci bezprzewodowej i tego typu rzeczy. Ale w przypadku małego robota o ograniczonej mocy jesteśmy zmuszeni pomyśleć o nowych trybach To ważny krok w kierunku latania tymi robotami w warunkach zewnętrznych, w których nie mamy dobrze dostrojonego, najnowocześniejszego systemu śledzenia ruchu” — mówi Kevin Chen, który jest D. Reid Weedon, Jr. Adiunkt w Katedrze Elektrotechniki i Informatyki (EECS), kierownik Laboratorium Miękkiej i Mikrorobotyki w Laboratorium Badawczym Elektroniki (RLE) i starszy autor artykułu.
On i jego współpracownicy osiągnęli to, umieszczając maleńkie elektroluminescencyjne cząstki w sztucznych mięśniach. Proces ten dodaje tylko 2,5 procent więcej masy bez wpływu na wydajność lotu robota.
Do Chen w gazecie dołączają absolwenci EECS Suhan Kim, główny autor i Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, dr ’17; oraz Jie Mao, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Ningxia. Badanie zostało opublikowane w tym miesiącu w IEEE Robotics and Automation Letters.
Podświetlany siłownik
Badacze ci wcześniej zademonstrowali nową technikę wytwarzania miękkich siłowników lub sztucznych mięśni, które machają skrzydłami robota. Te trwałe siłowniki są wytwarzane przez naprzemienne układanie w stos ultracienkich warstw elastomeru i elektrody z nanorurek węglowych, a następnie zwijanie ich w miękki cylinder. Po przyłożeniu napięcia do tego cylindra elektrody ściskają elastomer, a naprężenie mechaniczne powoduje trzepotanie skrzydła.
Aby wyprodukować świecący siłownik, zespół włączył do elastomeru elektroluminescencyjne cząstki siarczanu cynku, ale po drodze musiał sprostać kilku wyzwaniom.
Najpierw naukowcy musieli stworzyć elektrodę, która nie będzie blokować światła. Zbudowali go z wysoce przezroczystych nanorurek węglowych, które mają tylko kilka nanometrów grubości i umożliwiają przechodzenie światła.
Jednak cząstki cynku zapalają się tylko w obecności bardzo silnego pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości. To pole elektryczne wzbudza elektrony w cząstkach cynku, które następnie emitują subatomowe cząstki światła znane jako fotony. Naukowcy wykorzystują wysokie napięcie do wytworzenia silnego pola elektrycznego w miękkim elemencie wykonawczym, a następnie napędzają robota z wysoką częstotliwością, która umożliwia cząsteczkom jasne świecenie.
„Tradycyjnie materiały elektroluminescencyjne są bardzo kosztowne energetycznie, ale w pewnym sensie tę elektroluminescencję otrzymujemy za darmo, ponieważ po prostu używamy pola elektrycznego o częstotliwości potrzebnej do latania. Nie potrzebujemy nowego uruchamiania, nowych przewodów ani niczego. Aby rozświetlić światło, potrzeba tylko około 3% więcej energii” – mówi Kevin Chen.
Tworząc prototyp siłownika, odkryli, że dodanie cząstek cynku zmniejszyło jego jakość, powodując jego łatwiejszy rozkład. Aby obejść ten problem, Kim wmieszał cząsteczki cynku tylko w górną warstwę elastomeru. Zrobił tę warstwę o kilka mikrometrów grubszą, aby pomieścić jakąkolwiek redukcję mocy wyjściowej.
Chociaż sprawiło to, że siłownik był 2,5 procent cięższy, emitował światło bez wpływu na wydajność lotu.
„Włożyliśmy wiele uwagi w utrzymanie jakości warstw elastomeru między elektrodami. Dodawanie tych cząstek było prawie jak dodawanie kurzu do naszej warstwy elastomeru. Wymagało to wielu różnych podejść i wielu testów, ale wymyśliliśmy sposób aby zapewnić jakość siłownika”, mówi Kim.
Dostosowanie składu chemicznego cząsteczek cynku zmienia barwę światła. Naukowcy stworzyli zielone, pomarańczowe i niebieskie cząstki do zbudowanych przez siebie siłowników; każdy siłownik świeci jednym jednolitym kolorem.
Zmodyfikowali również proces produkcji, aby siłowniki mogły emitować wielokolorowe i wzorzyste światło. Naukowcy umieścili maleńką maskę na górnej warstwie, dodali cząsteczki cynku, a następnie utwardzili siłownik. Powtórzyli ten proces trzy razy z różnymi maskami i kolorowymi cząsteczkami, aby stworzyć lekki wzór, który pisał MIT.
Podążając za świetlikami
Po dopracowaniu procesu produkcyjnego przetestowali właściwości mechaniczne siłowników i użyli miernika luminescencji do pomiaru natężenia światła.
Stamtąd przeprowadzili testy w locie przy użyciu specjalnie zaprojektowanego systemu śledzenia ruchu. Każdy siłownik elektroluminescencyjny służył jako aktywny znacznik, który można było śledzić za pomocą kamer iPhone’a. Kamery wykrywają każdy kolor światła, a opracowany przez nich program komputerowy śledzi pozycję i postawę robotów z dokładnością do 2 milimetrów w najnowocześniejszych systemach przechwytywania ruchu na podczerwień.
„Jesteśmy bardzo dumni z tego, jak dobre są wyniki śledzenia w porównaniu z najnowocześniejszymi rozwiązaniami. Korzystaliśmy z taniego sprzętu, w porównaniu z dziesiątkami tysięcy dolarów, które kosztują te duże systemy śledzenia ruchu, a wyniki śledzenia były bardzo blisko” – mówi Kevin Chen.
W przyszłości planują ulepszyć ten system śledzenia ruchu, aby mógł śledzić roboty w czasie rzeczywistym. Zespół pracuje nad włączeniem sygnałów sterujących, aby roboty mogły włączać i wyłączać światło podczas lotu i komunikować się bardziej jak prawdziwe świetliki. Badają również, w jaki sposób elektroluminescencja może nawet poprawić niektóre właściwości tych miękkich sztucznych mięśni, mówi Kevin Chen.
Praca ta była wspierana przez Laboratorium Badawcze Elektroniki MIT.
Wideo: https://youtu.be/V5ZJOhkSRWk