Inspirándose en las luciérnagas, los científicos del MIT han creado actuadores flexibles que pueden emitir luz en diferentes colores o patrones. Crédito: Cortesía de los investigadores.
Inspirándose en las luciérnagas, los científicos están creando robots a escala de insectos que pueden emitir luz mientras vuelan, lo que permite el seguimiento del movimiento y la comunicación.
Las luciérnagas que iluminan los patios traseros oscuros en las cálidas noches de verano usan su luminiscencia para comunicarse: para atraer a una pareja, protegerse de los depredadores o atraer presas.
Estas luciérnagas centelleantes también han inspirado a investigadores de[{” attribute=””>MIT. Taking a cue from nature, they constructed electroluminescent soft artificial muscles for flying, insect-scale robots. The tiny artificial muscles that control the robots’ wings emit colored light during flight.
This electroluminescence could enable the robots to communicate with each other. For example, if sent on a search-and-rescue mission into a collapsed building, a robot that finds survivors could use lights to signal others and call for help.
The ability to emit light also brings these microscale robots, which barely weigh more than a paper clip, one step closer to flying on their own outside the lab. These robots are so lightweight that they can’t carry sensors, so researchers must track them using bulky infrared cameras that don’t work well outdoors. Now, they’ve shown that they can track the flying robots precisely using the light they emit and just three smartphone cameras.
These artificial muscles, which control the wings of featherweight flying robots, light up while the robot is in flight, which provides a low-cost way to track the robots and also could enable them to communicate. Credit: Courtesy of the researchers
“If you think of large-scale robots, they can communicate using a lot of different tools — Bluetooth, wireless, all those sorts of things. But for a tiny, power-constrained robot, we are forced to think about new modes of communication. This is a major step toward flying these robots in outdoor environments where we don’t have a well-tuned, state-of-the-art motion tracking system,” says Kevin Chen, who is the D. Reid Weedon, Jr. Assistant Professor in the Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), the head of the Soft and Micro Robotics Laboratory in the Research Laboratory of Electronics (RLE), and the senior author of the paper.
He and his colleagues accomplished this by embedding minuscule electroluminescent particles into the artificial muscles. This process adds just 2.5 percent more weight without impacting the flight performance of the robot.
The research was published recently in IEEE Robotics and Automation Letters. Joining Chen on the paper are EECS graduate students Suhan Kim, the lead author, and Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, PhD ’17; and Jie Mao, an associate professor at Ningxia University.
Un actuador luminoso
Previamente, estos científicos demostraron una nueva técnica de fabricación para construir actuadores flexibles, o músculos artificiales, que agitan las alas del robot. Estos actuadores duraderos se fabrican alternando capas ultrafinas de elastómero y electrodos de nanotubos de carbono en una pila y luego enrollándolos en un cilindro esponjoso. Cuando se aplica un voltaje a este cilindro, los electrodos comprimen el elastómero y la tensión mecánica hace que el ala aletee.
Para hacer un actuador brillante, los investigadores incorporaron partículas de sulfato de zinc emisoras de luz en el elastómero, pero tuvieron que superar varios desafíos en el camino.
Primero, el equipo tuvo que crear un electrodo que no bloqueara la luz. Lo construyeron utilizando nanotubos de carbono altamente transparentes, que tienen solo unos pocos nanómetros de espesor y dejan pasar la luz.
Sin embargo, las partículas de zinc se encienden solo en presencia de un campo eléctrico de alta frecuencia muy fuerte. Este campo eléctrico excita los electrones en las partículas de zinc, que luego emiten partículas subatómicas de luz llamadas fotones. Los científicos usan alto voltaje para crear un fuerte campo eléctrico en el actuador suave, luego impulsan el robot a una alta frecuencia, lo que hace que las partículas se iluminen intensamente.
“Tradicionalmente, los materiales electroluminiscentes consumen mucha energía, pero en cierto sentido obtenemos esa electroluminiscencia de forma gratuita porque solo estamos usando el campo eléctrico a la frecuencia que necesitamos para volar. No necesitamos nueva actuación, nuevos cables ni nada. Solo se necesita alrededor de un 3 % más de energía para que la luz brille”, dice Kevin Chen.
Mientras creaban un prototipo del actuador, descubrieron que agregar partículas de zinc reducía su calidad, lo que provocaba que se descompusiera más fácilmente. Para evitar este problema, Kim mezcló partículas de zinc solo en la capa superior de elastómero. Engrosó esta capa unos pocos micrómetros para acomodar cualquier reducción en la potencia de salida.
Aunque esto hace que el actuador sea un 2,5% más pesado, emite luz sin afectar el rendimiento del vuelo.
“Prestamos mucha atención a mantener la calidad de las capas de elastómero entre los electrodos. Agregar estas partículas fue casi como agregar polvo a nuestra capa de elastómero. Tomó muchos enfoques diferentes y muchas pruebas, pero encontramos una manera de garantizar la calidad del actuador”, dice Kim.
El ajuste de la combinación química de las partículas de zinc cambia el color de la luz. El equipo de investigación creó partículas verdes, naranjas y azules para los actuadores que construyeron; cada actuador brilla en un color sólido.
También cambiaron el proceso de fabricación para que los actuadores pudieran emitir luces multicolores y estampadas. Los investigadores colocaron una pequeña máscara en la capa superior, agregaron partículas de zinc y luego endurecieron el actuador. Repitieron este proceso tres veces con diferentes máscaras y partículas de colores para crear un patrón de luz que deletreaba MIT.
En busca de luciérnagas
Después de refinar el proceso de fabricación, probaron las propiedades mecánicas de los actuadores y utilizaron un medidor de luminiscencia para medir la intensidad de la luz.
A partir de ahí, realizaron pruebas de vuelo utilizando un sistema de seguimiento de movimiento especialmente diseñado. Cada actuador emisor de luz sirvió como un marcador activo que podría rastrearse usando cámaras de iPhone. Las cámaras detectan todos los colores de la luz, y un programa de computadora que desarrollaron rastrea la posición y la actitud de los robots dentro de los 2 milímetros de los sistemas de captura de movimiento por infrarrojos de última generación.
“Estamos muy orgullosos de la calidad del resultado del seguimiento, en comparación con el estado del arte. Estábamos usando hardware económico, en comparación con las decenas de miles de dólares que cuestan estos grandes sistemas de seguimiento de movimiento, y los resultados del seguimiento fueron muy cerca”, dice Kevin Chen.
En el futuro, planean mejorar este sistema de seguimiento de movimiento para que pueda rastrear robots en tiempo real. El grupo está trabajando para incorporar señales de control para que los robots puedan encender y apagar su luz durante el vuelo y comunicarse más como luciérnagas reales. También están estudiando cómo la electroluminiscencia podría incluso mejorar ciertas propiedades de estos músculos artificiales blandos, dice Kevin Chen.
“Este trabajo es realmente emocionante porque minimiza los gastos generales (peso y potencia) para la generación de luz sin comprometer el rendimiento del vuelo”, dice Kaushik Jayaram, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Colorado Boulder, quien no participó en este investigar. “La generación de flash sincronizado con el aleteo demostrada en este trabajo facilitará el seguimiento del movimiento y el control de vuelo de múltiples microrobots en entornos con poca luz, tanto en interiores como en exteriores”.
“Si bien la producción de luz, la reminiscencia de las luciérnagas biológicas y el uso potencial de la comunicación que se muestran en este trabajo son extremadamente emocionantes, creo que el verdadero impulso es que este último desarrollo podría ser un paso importante hacia la demostración de estos robots al aire libre bajo control de laboratorio”. condiciones ”, agrega Pakpong Chirarattananon, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, que tampoco participó en este trabajo.
“Los actuadores iluminados actúan potencialmente como marcadores activos para cámaras externas para proporcionar retroalimentación en tiempo real para la estabilización del vuelo para reemplazar el sistema de captura de movimiento actual. La electroluminiscencia permitiría usar equipos menos sofisticados y rastrear a los robots de forma remota, quizás a través de otro móvil más grande robot, para el despliegue en el mundo real. Eso sería un avance notable. Me encantaría ver lo que los autores logran a continuación.
Referencia: “FireFly: An Insect-Scale Aerial Robot Powered by Flexible Light-Emitting Artificial Muscles” por Suhan Kim, Yi-Hsuan Hsiao, YuFan Chen, Jie Mao y YuFeng Chen, 1 de junio de 2022, Cartas IEEE sobre robótica y automatización.
DOI: 10.1109/LRA.2022.3179486
Este trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT.
