Ispirandosi alle lucciole, i ricercatori creano robot in scala di insetti in grado di emettere luce quando volano, il che consente il rilevamento del movimento e la comunicazione
Le lucciole che illuminano i cortili oscuri nelle calde serate estive usano la loro luminescenza per comunicare: per attirare un compagno, allontanare i predatori o attirare la preda.
Questi insetti luccicanti hanno anche suscitato l’ispirazione degli scienziati del MIT. Prendendo spunto dalla natura, hanno costruito morbidi muscoli artificiali elettroluminescenti per robot volanti in scala di insetti. I minuscoli muscoli artificiali che controllano le ali dei robot emettono luce colorata durante il volo.
Questa elettroluminescenza potrebbe consentire ai robot di comunicare tra loro. Se inviato in una missione di ricerca e salvataggio in un edificio crollato, ad esempio, un robot che trova sopravvissuti potrebbe usare le luci per segnalare gli altri e chiedere aiuto.
La capacità di emettere luce porta anche questi robot in microscala, che pesano poco più di una graffetta, un passo avanti per volare da soli fuori dal laboratorio. Questi robot sono così leggeri che non possono trasportare sensori, quindi i ricercatori devono seguirli utilizzando ingombranti telecamere a infrarossi che non funzionano bene all’aperto. Ora, hanno dimostrato di poter tracciare i robot con precisione utilizzando la luce che emettono e solo tre fotocamere per smartphone.
“Se pensi ai robot su larga scala, possono comunicare utilizzando molti strumenti diversi: Bluetooth, wireless, tutto questo genere di cose. Ma per un robot minuscolo e limitato dal punto di vista energetico, siamo costretti a pensare a nuove modalità di comunicazione. Questo è un passo importante verso il pilotaggio di questi robot in ambienti esterni in cui non disponiamo di un sistema di rilevamento del movimento ben sintonizzato e all’avanguardia”, afferma Kevin Chen, che è l’assistente di D. Reid Weedon, Jr. Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS), il capo del Laboratorio di Soft and Micro Robotics nel Research Laboratory of Electronics (RLE) e l’autore senior dell’articolo.
Lui e i suoi collaboratori hanno ottenuto questo risultato incorporando minuscole particelle elettroluminescenti nei muscoli artificiali. Il processo aggiunge solo il 2,5% in più di peso senza influire sulle prestazioni di volo del robot.
Insieme a Chen sul documento ci sono gli studenti laureati EECS Suhan Kim, l’autore principale, e Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, PhD ’17; e Jie Mao, professore associato alla Ningxia University. La ricerca è stata pubblicata questo mese su IEEE Robotics and Automation Letters .
Un attuatore di illuminazione
Questi ricercatori hanno precedentemente dimostrato una nuova tecnica di fabbricazione per costruire attuatori morbidi, o muscoli artificiali, che sbattono le ali del robot. Questi attuatori durevoli sono realizzati alternando strati ultrasottili di elastomero e elettrodi di nanotubi di carbonio in una pila e quindi arrotolandoli in un cilindro morbido. Quando viene applicata una tensione a quel cilindro, gli elettrodi comprimono l’elastomero e la deformazione meccanica fa sbattere l’ala.
Per fabbricare un attuatore luminoso, il team ha incorporato particelle di solfato di zinco elettroluminescente nell’elastomero, ma ha dovuto superare diverse sfide lungo il percorso.
In primo luogo, i ricercatori hanno dovuto creare un elettrodo che non bloccasse la luce. Lo hanno costruito utilizzando nanotubi di carbonio altamente trasparenti, che hanno uno spessore di pochi nanometri e consentono il passaggio della luce.
Tuttavia, le particelle di zinco si accendono solo in presenza di un campo elettrico molto forte e ad alta frequenza. Questo campo elettrico eccita gli elettroni nelle particelle di zinco, che poi emettono particelle di luce subatomiche note come fotoni. I ricercatori usano l’alta tensione per creare un forte campo elettrico nell’attuatore morbido, quindi guidano il robot ad alta frequenza, che consente alle particelle di illuminarsi intensamente.
“Tradizionalmente, i materiali elettroluminescenti sono molto costosi dal punto di vista energetico, ma in un certo senso otteniamo quell’elettroluminescenza gratuitamente perché utilizziamo semplicemente il campo elettrico alla frequenza di cui abbiamo bisogno per volare. Non abbiamo bisogno di nuovi attuatori, nuovi cavi o altro. Ci vuole solo il 3% in più di energia per far risplendere la luce”, dice Kevin Chen.
Durante la prototipazione dell’attuatore, hanno scoperto che l’aggiunta di particelle di zinco ne riduceva la qualità, causandone la rottura più facile. Per aggirare questo problema, Kim ha mescolato particelle di zinco solo nello strato di elastomero superiore. Ha reso quello strato più spesso di alcuni micrometri per adattarsi a qualsiasi riduzione della potenza di uscita.
Sebbene ciò rendesse l’attuatore più pesante del 2,5%, emetteva luce senza influire sulle prestazioni di volo.
“Prestiamo molta attenzione nel mantenere la qualità degli strati di elastomero tra gli elettrodi. L’aggiunta di queste particelle era quasi come aggiungere polvere al nostro strato di elastomero. Ci sono voluti molti approcci diversi e molti test, ma abbiamo trovato un modo per garantire la qualità dell’attuatore”, afferma Kim.
La regolazione della combinazione chimica delle particelle di zinco cambia il colore della luce. I ricercatori hanno creato particelle verdi, arancioni e blu per gli attuatori che hanno costruito; ogni attuatore brilla di un colore solido.
Hanno anche ottimizzato il processo di fabbricazione in modo che gli attuatori potessero emettere luce multicolore e modellata. I ricercatori hanno posizionato una minuscola maschera sullo strato superiore, hanno aggiunto particelle di zinco, quindi hanno polimerizzato l’attuatore. Hanno ripetuto questo processo tre volte con diverse maschere e particelle colorate per creare un motivo luminoso che scriveva MIT.
A seguire le lucciole
Dopo aver messo a punto il processo di fabbricazione, hanno testato le proprietà meccaniche degli attuatori e hanno utilizzato un misuratore di luminescenza per misurare l’intensità della luce.
Da lì, hanno eseguito test di volo utilizzando un sistema di tracciamento del movimento appositamente progettato. Ogni attuatore elettroluminescente fungeva da marker attivo che poteva essere tracciato utilizzando le fotocamere dell’iPhone. Le telecamere rilevano ogni colore della luce e un programma per computer che hanno sviluppato traccia la posizione e l’atteggiamento dei robot entro 2 millimetri dai sistemi di acquisizione del movimento a infrarossi all’avanguardia.
“Siamo molto orgogliosi di quanto sia buono il risultato del monitoraggio, rispetto allo stato dell’arte. Stavamo usando hardware a basso costo, rispetto alle decine di migliaia di dollari che questi grandi sistemi di rilevamento del movimento costano, e i risultati di rilevamento sono stati molto vicini”, afferma Kevin Chen.
In futuro, hanno in programma di migliorare quel sistema di tracciamento del movimento in modo che possa tracciare i robot in tempo reale. Il team sta lavorando per incorporare segnali di controllo in modo che i robot possano accendere e spegnere la luce durante il volo e comunicare più come vere lucciole. Stanno anche studiando come l’elettroluminescenza potrebbe persino migliorare alcune proprietà di questi muscoli artificiali morbidi, dice Kevin Chen.
Ispirandosi alle lucciole, i ricercatori creano robot in scala di insetti in grado di emettere luce quando volano, il che consente il rilevamento del movimento e la comunicazione
Le lucciole che illuminano i cortili oscuri nelle calde serate estive usano la loro luminescenza per comunicare: per attirare un compagno, allontanare i predatori o attirare la preda.
Questi insetti luccicanti hanno anche suscitato l’ispirazione degli scienziati del MIT. Prendendo spunto dalla natura, hanno costruito morbidi muscoli artificiali elettroluminescenti per robot volanti in scala di insetti. I minuscoli muscoli artificiali che controllano le ali dei robot emettono luce colorata durante il volo.
Questa elettroluminescenza potrebbe consentire ai robot di comunicare tra loro. Se inviato in una missione di ricerca e salvataggio in un edificio crollato, ad esempio, un robot che trova sopravvissuti potrebbe usare le luci per segnalare gli altri e chiedere aiuto.
La capacità di emettere luce porta anche questi robot in microscala, che pesano poco più di una graffetta, un passo avanti per volare da soli fuori dal laboratorio. Questi robot sono così leggeri che non possono trasportare sensori, quindi i ricercatori devono seguirli utilizzando ingombranti telecamere a infrarossi che non funzionano bene all’aperto. Ora, hanno dimostrato di poter tracciare i robot con precisione utilizzando la luce che emettono e solo tre fotocamere per smartphone.
“Se pensi ai robot su larga scala, possono comunicare utilizzando molti strumenti diversi: Bluetooth, wireless, tutto questo genere di cose. Ma per un robot minuscolo e limitato dal punto di vista energetico, siamo costretti a pensare a nuove modalità di comunicazione. Questo è un passo importante verso il pilotaggio di questi robot in ambienti esterni in cui non disponiamo di un sistema di rilevamento del movimento ben sintonizzato e all’avanguardia”, afferma Kevin Chen, che è l’assistente di D. Reid Weedon, Jr. Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS), il capo del Laboratorio di Soft and Micro Robotics nel Research Laboratory of Electronics (RLE) e l’autore senior dell’articolo.
Lui e i suoi collaboratori hanno ottenuto questo risultato incorporando minuscole particelle elettroluminescenti nei muscoli artificiali. Il processo aggiunge solo il 2,5% in più di peso senza influire sulle prestazioni di volo del robot.
Robotic lightning bugs
Insieme a Chen sul documento ci sono gli studenti laureati EECS Suhan Kim, l’autore principale, e Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, PhD ’17; e Jie Mao, professore associato alla Ningxia University. La ricerca è stata pubblicata questo mese su IEEE Robotics and Automation Letters .
Un attuatore di illuminazione
Questi ricercatori hanno precedentemente dimostrato una nuova tecnica di fabbricazione per costruire attuatori morbidi, o muscoli artificiali, che sbattono le ali del robot. Questi attuatori durevoli sono realizzati alternando strati ultrasottili di elastomero e elettrodi di nanotubi di carbonio in una pila e quindi arrotolandoli in un cilindro morbido. Quando viene applicata una tensione a quel cilindro, gli elettrodi comprimono l’elastomero e la deformazione meccanica fa sbattere l’ala.
Per fabbricare un attuatore luminoso, il team ha incorporato particelle di solfato di zinco elettroluminescente nell’elastomero, ma ha dovuto superare diverse sfide lungo il percorso.
In primo luogo, i ricercatori hanno dovuto creare un elettrodo che non bloccasse la luce. Lo hanno costruito utilizzando nanotubi di carbonio altamente trasparenti, che hanno uno spessore di pochi nanometri e consentono il passaggio della luce.
Tuttavia, le particelle di zinco si accendono solo in presenza di un campo elettrico molto forte e ad alta frequenza. Questo campo elettrico eccita gli elettroni nelle particelle di zinco, che poi emettono particelle di luce subatomiche note come fotoni. I ricercatori usano l’alta tensione per creare un forte campo elettrico nell’attuatore morbido, quindi guidano il robot ad alta frequenza, che consente alle particelle di illuminarsi intensamente.
“Tradizionalmente, i materiali elettroluminescenti sono molto costosi dal punto di vista energetico, ma in un certo senso otteniamo quell’elettroluminescenza gratuitamente perché utilizziamo semplicemente il campo elettrico alla frequenza di cui abbiamo bisogno per volare. Non abbiamo bisogno di nuovi attuatori, nuovi cavi o altro. Ci vuole solo il 3% in più di energia per far risplendere la luce”, dice Kevin Chen.
Durante la prototipazione dell’attuatore, hanno scoperto che l’aggiunta di particelle di zinco ne riduceva la qualità, causandone la rottura più facile. Per aggirare questo problema, Kim ha mescolato particelle di zinco solo nello strato di elastomero superiore. Ha reso quello strato più spesso di alcuni micrometri per adattarsi a qualsiasi riduzione della potenza di uscita.
Sebbene ciò rendesse l’attuatore più pesante del 2,5%, emetteva luce senza influire sulle prestazioni di volo.
“Prestiamo molta attenzione nel mantenere la qualità degli strati di elastomero tra gli elettrodi. L’aggiunta di queste particelle era quasi come aggiungere polvere al nostro strato di elastomero. Ci sono voluti molti approcci diversi e molti test, ma abbiamo trovato un modo per garantire la qualità dell’attuatore”, afferma Kim.
La regolazione della combinazione chimica delle particelle di zinco cambia il colore della luce. I ricercatori hanno creato particelle verdi, arancioni e blu per gli attuatori che hanno costruito; ogni attuatore brilla di un colore solido.
Hanno anche ottimizzato il processo di fabbricazione in modo che gli attuatori potessero emettere luce multicolore e modellata. I ricercatori hanno posizionato una minuscola maschera sullo strato superiore, hanno aggiunto particelle di zinco, quindi hanno polimerizzato l’attuatore. Hanno ripetuto questo processo tre volte con diverse maschere e particelle colorate per creare un motivo luminoso che scriveva MIT.
A seguire le lucciole
Dopo aver messo a punto il processo di fabbricazione, hanno testato le proprietà meccaniche degli attuatori e hanno utilizzato un misuratore di luminescenza per misurare l’intensità della luce.
Da lì, hanno eseguito test di volo utilizzando un sistema di tracciamento del movimento appositamente progettato. Ogni attuatore elettroluminescente fungeva da marker attivo che poteva essere tracciato utilizzando le fotocamere dell’iPhone. Le telecamere rilevano ogni colore della luce e un programma per computer che hanno sviluppato traccia la posizione e l’atteggiamento dei robot entro 2 millimetri dai sistemi di acquisizione del movimento a infrarossi all’avanguardia.
“Siamo molto orgogliosi di quanto sia buono il risultato del monitoraggio, rispetto allo stato dell’arte. Stavamo usando hardware a basso costo, rispetto alle decine di migliaia di dollari che questi grandi sistemi di rilevamento del movimento costano, e i risultati di rilevamento sono stati molto vicini”, afferma Kevin Chen.
In futuro, hanno in programma di migliorare quel sistema di tracciamento del movimento in modo che possa tracciare i robot in tempo reale. Il team sta lavorando per incorporare segnali di controllo in modo che i robot possano accendere e spegnere la luce durante il volo e comunicare più come vere lucciole. Stanno anche studiando come l’elettroluminescenza potrebbe persino migliorare alcune proprietà di questi muscoli artificiali morbidi, dice Kevin Chen.
