Eldflugorna som lyser upp trista bakgårdar under varma sommarkvällar använder sin luminescens för att kommunicera – för att locka till sig en kompis, stöta bort rovdjur eller locka byten.
Dessa glänsande buggar inspirerade forskare vid MIT. Med hjälp av naturen byggde de elektroluminescerande mjuka konstgjorda muskler för flygande, insektsfjäll, robotar. De små konstgjorda musklerna som styr robotarnas vingar avger färgat ljus under flygningen.
Denna elektroluminescens kan tillåta robotar att kommunicera med varandra. Om den skickas på ett sök-och-räddningsuppdrag i en kollapsad byggnad, till exempel, kan en robot som hittar överlevande använda lampor för att signalera andra och kalla på hjälp.
Förmågan att avge ljus ger också dessa mikroskaliga robotar, som knappt väger mer än ett gem, ett steg närmare att flyga på egen hand utanför labbet. Dessa robotar är så lätta att de inte kan bära sensorer, så forskarna var tvungna att spåra dem med skrymmande infraröda kameror, som inte fungerar bra utomhus. Nu har de visat att de kan spåra robotar exakt med hjälp av ljuset de avger och bara tre smartphonekameror.
“Om du tänker på stora robotar kan de kommunicera med många olika verktyg – Bluetooth, trådlöst, allt sånt. Men för en liten robot med begränsad kraft var vi tvungna att tänka på nya sätt att kommunicera. Det här är ett viktigt steg mot att flyga dessa robotar i en utomhusmiljö där vi inte har ett välinställt, toppmodernt rörelsespårningssystem, säger professor Kevin Chen.
Han och hans medarbetare uppnådde detta genom att bädda in små elektroluminescerande partiklar i konstgjorda muskler. Processen tillför bara 2,5 procent mer vikt utan att påverka robotens flygprestanda.
Dessa forskare har tidigare demonstrerat en ny tillverkningsteknik för att bygga de mjuka ställdonen, eller konstgjorda muskler, som slår robotens vingar. Dessa hållbara ställdon är gjorda genom att alternerande ultratunna lager av elastomerelektroder och kolnanorör i en stapel och sedan linda dem till en mjuk cylinder. När spänning appliceras på cylindern, komprimerar elektroderna elastomeren och den mekaniska spänningen svänger vingen.
För att producera ett glödande manöverdon införlivade teamet elektroluminescerande zinksulfatpartiklar i elastomeren, men var tvungna att övervinna flera utmaningar på vägen.
Först var forskarna tvungna att skapa en elektrod som inte skulle blockera ljus. De byggde den med mycket transparenta kolnanorör som bara är några nanometer tjocka och låter ljus passera igenom.
Zinkpartiklarna lyser dock endast i närvaro av ett mycket starkt högfrekvent elektriskt fält. Detta elektriska fält exciterar elektronerna i zinkpartiklarna, som sedan avger subatomära partiklar av ljus – fotoner. Forskarna använder en hög spänning för att skapa ett starkt elektriskt fält i det mjuka manöverdonet och driver sedan roboten med en hög frekvens, vilket gör att partiklarna kan lysa starkt.
“Traditionellt är elektroluminescerande material mycket energiskt dyra, men på sätt och vis får vi denna elektroluminescens gratis eftersom vi bara använder det elektriska fältet vid den frekvens vi behöver för att flyga. Vi behöver ingen ny enhet, nya kablar eller något annat. Det tar bara cirka tre procent mer energi att avge ljus”, sa Kevin Chen.
När de byggde ett prototypställdon upptäckte de att tillsats av zinkpartiklar minskade dess kvalitet, vilket gjorde att den lättare gick sönder. För att undvika detta blandade Kim zinkpartiklar endast i det övre elastomerskiktet. Han gjorde det här lagret några mikrometer tjockare för att tillgodose eventuell minskning av effektuttaget. Även om detta gör ställdonet 2,5 procent tyngre, avger det ljus utan att påverka flygprestanda.
Justering av den kemiska kombinationen av zinkpartiklarna ändrar färgen på ljuset. Forskarna gjorde gröna, orange och blå partiklar för ställdonen de byggde; varje ställdon lyser i en fast färg.
De modifierade också tillverkningsprocessen så att manöverdonen kunde avge flerfärgat och mönstrat ljus. Forskarna placerade en liten mask på det översta lagret, lade till zinkpartiklar och stelnade sedan ställdonet. De upprepade denna process tre gånger med olika masker och färgade partiklar för att skapa ett ljusmönster som stavade MIT.
Efter att ha finjusterat tillverkningsprocessen testade de de mekaniska egenskaperna hos ställdonen och använde en luminescensmätare för att mäta ljusintensiteten.
Därifrån genomförde de flygtester med hjälp av ett specialdesignat rörelsespårningssystem. Varje elektroluminescerande ställdon fungerar som en aktiv tagg som kan spåras med iPhone-kameror. Kamerorna upptäcker varje ljusfärg och ett datorprogram som de utvecklat spårar robotarnas position och attityd inom 2 millimeter från toppmoderna infraröda motion capture-system.
“Vi är mycket stolta över hur bra spårningsprestandan är jämfört med den senaste tekniken. Vi använde billig hårdvara jämfört med de tiotusentals dollar som dessa stora rörelsespårningssystem kostade, och spårningsresultaten var mycket nära, säger Chen.
I framtiden planerar de att förbättra sitt rörelsespårningssystem så att det kan spåra robotar i realtid. Teamet arbetar med att införliva kontrollsignaler så att robotarna kan tända och släcka sitt ljus under flygning och kommunicera mer som riktiga eldflugor. De studerar också hur elektroluminescens till och med kan förbättra vissa egenskaper hos mjuka konstgjorda muskler.
Video
Källa
Mer från SAE Media Group
https://www.techbriefs.com/component/content/article/1586-tb/insiders/md/stories/46161-robotic-lightning-bugs-take-flight?Itemid=690
