Roboter-Blitzkäfer fliegen ab | MIT-Nachrichten

Glühwürmchen, die an warmen Sommerabenden düstere Hinterhöfe erhellen, nutzen ihre Leuchtkraft zur Kommunikation – um einen Partner anzulocken, Raubtiere abzuwehren oder Beute anzulocken.

Diese schimmernden Käfer weckten auch die Inspiration von Wissenschaftlern am MIT. In Anlehnung an die Natur bauten sie elektrolumineszente, weiche, künstliche Muskeln für fliegende, insektengroße Roboter. Die winzigen künstlichen Muskeln, die die Flügel der Roboter steuern, senden während des Fluges farbiges Licht aus.

Diese Elektrolumineszenz könnte es den Robotern ermöglichen, miteinander zu kommunizieren. Wenn er beispielsweise auf eine Such- und Rettungsmission in ein eingestürztes Gebäude geschickt wird, könnte ein Roboter, der Überlebende findet, Lichter verwenden, um andere zu signalisieren und um Hilfe zu rufen.

Die Fähigkeit, Licht zu emittieren, bringt diese Mikroroboter, die kaum mehr als eine Büroklammer wiegen, auch außerhalb des Labors einen Schritt näher an das selbstständige Fliegen. Diese Roboter sind so leicht, dass sie keine Sensoren tragen können, daher müssen die Forscher sie mit sperrigen Infrarotkameras verfolgen, die im Freien nicht gut funktionieren. Jetzt haben sie gezeigt, dass sie die Roboter mit ihrem Licht und nur drei Smartphone-Kameras genau verfolgen können.

„Wenn Sie an große Roboter denken, können sie mit vielen verschiedenen Tools kommunizieren – Bluetooth, drahtlos, all diese Dinge. Aber für einen winzigen, leistungsbeschränkten Roboter sind wir gezwungen, über neue Kommunikationsarten nachzudenken. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zum Fliegen dieser Roboter im Außenbereich, wo wir kein gut abgestimmtes, hochmodernes Bewegungsverfolgungssystem haben“, sagt Kevin Chen, der Assistent von D. Reid Weedon, Jr. ist Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik (EECS), Leiter des Labors für Soft- und Mikrorobotik im Forschungslabor für Elektronik (RLE) und leitender Autor des Artikels.

Er und seine Mitarbeiter erreichten dies, indem sie winzige elektrolumineszierende Partikel in die künstlichen Muskeln einbetteten. Das Verfahren fügt nur 2,5 Prozent mehr Gewicht hinzu, ohne die Flugleistung des Roboters zu beeinträchtigen.

Neben Chen an der Arbeit sind die EECS-Absolventen Suhan Kim, der Hauptautor, und Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, PhD ’17; und Jie Mao, außerordentlicher Professor an der Ningxia-Universität. Die Studie wurde diesen Monat in veröffentlicht IEEE Robotik und Automatisierungsbriefe.

Ein Leuchtaktor

Diese Forscher haben zuvor eine neue Herstellungstechnik demonstriert, um weiche Aktuatoren oder künstliche Muskeln zu bauen, die die Flügel des Roboters schlagen. Diese langlebigen Aktuatoren werden hergestellt, indem ultradünne Schichten aus Elastomer und Kohlenstoff-Nanoröhren-Elektroden in einem Stapel abwechselnd und dann zu einem matschigen Zylinder gerollt werden. Wenn an diesen Zylinder eine Spannung angelegt wird, drücken die Elektroden das Elastomer zusammen, und die mechanische Belastung lässt den Flügel schlagen.

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Um einen leuchtenden Aktuator herzustellen, integrierte das Team elektrolumineszierende Zinksulfatpartikel in das Elastomer, musste dabei jedoch mehrere Herausforderungen überwinden.

Zunächst mussten die Forscher eine Elektrode herstellen, die das Licht nicht blockiert. Sie bauten es aus hochtransparenten Kohlenstoffnanoröhren, die nur wenige Nanometer dick sind und Licht durchlassen.

Allerdings leuchten die Zinkpartikel nur in Gegenwart eines sehr starken und hochfrequenten elektrischen Feldes. Dieses elektrische Feld regt die Elektronen in den Zinkpartikeln an, die dann subatomare Lichtteilchen, sogenannte Photonen, emittieren. Die Forscher erzeugen mit Hochspannung ein starkes elektrisches Feld in dem weichen Aktuator und treiben den Roboter dann mit einer hohen Frequenz an, wodurch die Partikel hell leuchten können.

„Herkömmlicherweise sind elektrolumineszierende Materialien energetisch sehr kostspielig, aber in gewissem Sinne bekommen wir diese Elektrolumineszenz kostenlos, weil wir einfach das elektrische Feld mit der Frequenz verwenden, die wir zum Fliegen benötigen. Wir brauchen keine neue Betätigung, keine neuen Drähte oder irgendetwas. Es braucht nur etwa 3 Prozent mehr Energie, um Licht auszustrahlen“, sagt Kevin Chen.

Als sie den Aktuator als Prototyp herstellten, stellten sie fest, dass das Hinzufügen von Zinkpartikeln seine Qualität verringerte und dazu führte, dass er leichter zerfiel. Um dies zu umgehen, mischte Kim Zinkpartikel nur in die oberste Elastomerschicht. Er machte diese Schicht einige Mikrometer dicker, um eine Verringerung der Ausgangsleistung auszugleichen.

Während dies den Aktuator um 2,5 Prozent schwerer machte, strahlte er Licht aus, ohne die Flugleistung zu beeinträchtigen.

„Wir legen großen Wert darauf, die Qualität der Elastomerschichten zwischen den Elektroden zu erhalten. Das Hinzufügen dieser Partikel war fast wie das Hinzufügen von Staub zu unserer Elastomerschicht. Es waren viele verschiedene Ansätze und viele Tests erforderlich, aber wir haben einen Weg gefunden, um die Qualität des Stellantriebs sicherzustellen“, sagt Kim.

Durch die Anpassung der chemischen Kombination der Zinkpartikel ändert sich die Lichtfarbe. Die Forscher stellten grüne, orange und blaue Partikel für die von ihnen gebauten Aktuatoren her; jeder Aktuator leuchtet in einer einzigen Farbe.

Sie optimierten auch den Herstellungsprozess, sodass die Aktuatoren mehrfarbiges und gemustertes Licht emittieren konnten. Die Forscher platzierten eine winzige Maske über der obersten Schicht, fügten Zinkpartikel hinzu und härteten dann den Aktuator aus. Sie wiederholten diesen Vorgang dreimal mit verschiedenen Masken und farbigen Partikeln, um ein Lichtmuster zu erzeugen, das MIT buchstabierte.

Nach den Glühwürmchen

Nach der Feinabstimmung des Herstellungsprozesses testeten sie die mechanischen Eigenschaften der Aktuatoren und verwendeten ein Lumineszenzmessgerät, um die Intensität des Lichts zu messen.

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Von dort aus führten sie Flugtests mit einem speziell entwickelten Bewegungsverfolgungssystem durch. Jeder Elektrolumineszenz-Aktor diente als aktiver Marker, der mit iPhone-Kameras verfolgt werden konnte. Die Kameras erkennen jede Lichtfarbe, und ein von ihnen entwickeltes Computerprogramm verfolgt die Position und Haltung der Roboter bis auf 2 Millimeter von hochmodernen Infrarot-Bewegungserfassungssystemen.

„Wir sind sehr stolz darauf, wie gut das Tracking-Ergebnis im Vergleich zum Stand der Technik ist. Wir verwendeten billige Hardware im Vergleich zu den Zehntausenden von Dollar, die diese großen Bewegungsverfolgungssysteme kosten, und die Tracking-Ergebnisse waren sehr ähnlich“, sagt Kevin Chen.

In Zukunft planen sie, dieses Bewegungsverfolgungssystem so zu verbessern, dass es Roboter in Echtzeit verfolgen kann. Das Team arbeitet daran, Steuersignale zu integrieren, damit die Roboter ihr Licht während des Fluges ein- und ausschalten und mehr wie echte Glühwürmchen kommunizieren können. Sie untersuchen auch, wie Elektrolumineszenz einige Eigenschaften dieser weichen künstlichen Muskeln sogar verbessern könnte, sagt Kevin Chen.

„Diese Arbeit ist wirklich interessant, weil sie den Overhead (Gewicht und Leistung) für die Lichterzeugung minimiert, ohne die Flugleistung zu beeinträchtigen“, sagt Kaushik Jayaram, Assistenzprofessor am Department of Mechanical Engineering an der University of Colorado in Boulder, der nicht daran beteiligt war diese Forschung. „Die in dieser Arbeit demonstrierte flügelschlagsynchronisierte Blitzerzeugung wird die Bewegungsverfolgung und Flugsteuerung mehrerer Mikroroboter in schwach beleuchteten Umgebungen sowohl im Innen- als auch im Außenbereich erleichtern.“

„Während die Lichterzeugung, die Reminiszenz an biologische Glühwürmchen und die potenzielle Nutzung der Kommunikation, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, äußerst interessant sind, glaube ich, dass die wahre Dynamik darin besteht, dass sich diese neueste Entwicklung als Meilenstein für die Demonstration dieser Roboter im Freien erweisen könnte kontrollierten Laborbedingungen“, fügt Pakpong Chirarattananon hinzu, außerordentlicher Professor am Department of Biomedical Engineering der City University of Hong Kong, der ebenfalls nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Die beleuchteten Aktuatoren fungieren möglicherweise als aktive Markierungen für externe Kameras, um Echtzeit-Feedback für die Flugstabilisierung zu liefern und das aktuelle Bewegungserfassungssystem zu ersetzen. Die Elektrolumineszenz würde es ermöglichen, weniger hochentwickelte Geräte zu verwenden und die Roboter für den Einsatz in der realen Welt aus der Ferne zu verfolgen, möglicherweise über einen anderen größeren mobilen Roboter. Das wäre ein bemerkenswerter Durchbruch. Ich wäre gespannt, was die Autoren als nächstes erreichen.“

Diese Arbeit wurde vom Research Laboratory of Electronics am MIT unterstützt.

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