Эти мерцающие жучки также вызвали вдохновение у ученых Массачусетского технологического института. Взяв пример с природы, они создали электролюминесцентные мягкие искусственные мышцы для летающих роботов размером с насекомое. Крошечные искусственные мышцы, управляющие крыльями роботов, излучают цветной свет во время полета.

Эта электролюминесценция могла бы позволить роботам общаться друг с другом. Например, робот, отправленный на поисково-спасательную операцию в рухнувшее здание, который находит выживших, может использовать свет, чтобы подать сигнал другим и позвать на помощь.

Способность излучать свет также приближает этих микроскопических роботов, которые весят едва ли больше скрепки, на один шаг к самостоятельному полету за пределами лаборатории. Эти роботы настолько легкие, что не могут нести датчики, поэтому исследователи должны отслеживать их с помощью громоздких инфракрасных камер, которые плохо работают на открытом воздухе. Теперь они показали, что могут точно отслеживать роботов, используя излучаемый ими свет и всего три камеры смартфона.

"Если вы думаете о крупномасштабных роботах, они могут общаться с помощью множества различных инструментов - Bluetooth, беспроводной связи и тому подобного. Но для крошечного робота с ограниченными возможностями мы вынуждены думать о новых способах коммуникации. Это важный шаг к полетам этих роботов на открытом воздухе, где у нас нет хорошо настроенной, современной системы отслеживания движения", - говорит Кевин Чен, который является доцентом D. Reid Weedon, младший на кафедре электротехники и компьютерных наук (EECS)., руководитель лаборатории мягкой и микроробототехники в Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и старший автор статьи.

Он и его сотрудники достигли этого, внедрив крошечные электролюминесцентные частицы в искусственные мышцы. Этот процесс увеличивает вес всего на 2,5 процента, не влияя на летные характеристики робота.

К Чену в работе над статьей присоединились аспиранты EECS Сухан Ким, ведущий автор, и И-Суан Сяо; Ю Фан Чен, 14 лет, доктор философии 17 лет; и Цзе Мао, доцент Университета Нинся. Исследование было опубликовано в этом месяце в Письма IEEE по робототехнике и автоматизации.

Привод с подсветкой

Эти исследователи ранее продемонстрировали новую технологию изготовления мягких приводов, или искусственных мышц, которые машут крыльями робота. Эти долговечные приводы изготавливаются путем чередования ультратонких слоев эластомера и электродов из углеродных нанотрубок в стопке, а затем скатывания их в мягкий цилиндр. Когда к этому цилиндру прикладывается напряжение, электроды сжимают эластомер, и механическое напряжение приводит к закрытию крыла.

Чтобы изготовить светящийся привод, команда включила электролюминесцентные частицы сульфата цинка в эластомер, но на этом пути пришлось преодолеть несколько трудностей.

Во-первых, исследователи должны были создать электрод, который не блокировал бы свет. Они построили его с использованием высокопрозрачных углеродных нанотрубок, толщина которых составляет всего несколько нанометров и которые пропускают свет.

Однако частицы цинка загораются только в присутствии очень сильного и высокочастотного электрического поля. Это электрическое поле возбуждает электроны в частицах цинка, которые затем испускают субатомные частицы света, известные как фотоны. Исследователи используют высокое напряжение для создания сильного электрического поля в мягком приводе, а затем приводят робота в действие с высокой частотой, что позволяет частицам ярко светиться.

"Традиционно электролюминесцентные материалы очень энергетически дороги, но в некотором смысле мы получаем эту электролюминесценцию бесплатно, потому что мы просто используем электрическое поле на частоте, необходимой нам для полета. Нам не нужны новые приводы, новые провода или что-то еще. Чтобы излучать свет, требуется всего примерно на 3 процента больше энергии", - говорит Кевин Чен.

При создании прототипа привода они обнаружили, что добавление частиц цинка снижает его качество, в результате чего он легче разрушается. Чтобы обойти это, Ким добавила частицы цинка только в верхний слой эластомера. Он сделал этот слой на несколько микрометров толще, чтобы учесть любое снижение выходной мощности.

Хотя это сделало привод на 2,5 процента тяжелее, он излучал свет, не влияя на летные характеристики.

"Мы уделяем большое внимание поддержанию качества эластомерных слоев между электродами. Добавление этих частиц было почти похоже на добавление пыли к нашему слою эластомера. Потребовалось много разных подходов и много испытаний, но мы придумали способ обеспечить качество привода", - говорит Ким.

Регулируя химическую комбинацию частиц цинка, можно изменить цвет света. Исследователи создали зеленые, оранжевые и синие частицы для созданных ими приводов; каждый привод светится одним сплошным цветом.

Они также усовершенствовали процесс изготовления, чтобы приводы могли излучать разноцветный и узорчатый свет. Исследователи поместили крошечную маску поверх верхнего слоя, добавили частицы цинка, затем отвердили привод. Они повторили этот процесс три раза с разными масками и цветными частицами, чтобы создать световой узор, который записывался как M-I-T.

Следуя за светлячками

Как только они отладили процесс изготовления, они протестировали механические свойства приводов и использовали измеритель люминесценции для измерения интенсивности света.

Оттуда они провели летные испытания, используя специально разработанную систему отслеживания движения. Каждый электролюминесцентный привод служил активным маркером, который можно было отслеживать с помощью камер iPhone. Камеры распознают каждый цвет света, а разработанная ими компьютерная программа отслеживает положение и позу роботов с точностью до 2 миллиметров с помощью современных инфракрасных систем захвата движения.

"Мы очень гордимся тем, насколько хороши результаты отслеживания по сравнению с самыми современными. Мы использовали дешевое оборудование, по сравнению с десятками тысяч долларов, которые стоят эти большие системы отслеживания движения, и результаты отслеживания были очень близки", - говорит Кевин Чен.

В будущем они планируют усовершенствовать эту систему отслеживания движения, чтобы она могла отслеживать роботов в режиме реального времени. Команда работает над включением управляющих сигналов, чтобы роботы могли включать и выключать свой свет во время полета и общаться больше как настоящие светлячки. По словам Кевина Чена, они также изучают, как электролюминесценция может даже улучшить некоторые свойства этих мягких искусственных мышц.

Эта работа была поддержана Исследовательской лабораторией электроники Массачусетского технологического института.

Видео: https://youtu.be/V5ZJOhkSRWk