Inspirándose en las luciérnagas, los investigadores diseñan robots del tamaño de insectos que pueden emitir luz mientras vuelan, lo que permite el seguimiento del movimiento y la comunicación.

Inspirándose en las luciérnagas, los investigadores diseñan robots del tamaño de insectos que pueden emitir luz mientras vuelan, lo que permite el seguimiento del movimiento y la comunicación.


Iluminando patios traseros turbios en las cálidas noches de verano, las luciérnagas usan su luminosidad para comunicarse, para atraer a una pareja, protegerse de los depredadores o atraer presas.

Estos bichos relucientes también inspiraron a los científicos del MIT. Inspirándose en la naturaleza, construyeron músculos electroluminiscentes, suaves y artificiales para robots voladores del tamaño de insectos. Los diminutos músculos artificiales que controlan las alas de los robots emiten luces de colores durante el vuelo.

Esta electroluminiscencia podría permitir que los robots se comuniquen entre sí. Por ejemplo, si se envía en una misión de búsqueda y rescate a un edificio derrumbado, un robot que busca sobrevivientes podría usar luces para señalar a otros y pedir ayuda.

La capacidad de emitir luz lleva a estos microrobots, que pesan poco más que un clip, un paso más cerca de volar de forma independiente fuera del laboratorio. Estos robots son tan livianos que no pueden llevar sensores, por lo que los investigadores tienen que rastrearlos con voluminosas cámaras infrarrojas que no funcionan bien al aire libre. Ahora han demostrado que pueden rastrear con precisión a los robots con su luz y solo tres cámaras de teléfonos inteligentes.

“Si piensas en grandes robots, pueden comunicarse con muchas herramientas diferentes: Bluetooth, inalámbrico, todas esas cosas. Pero para ser un robot diminuto y con limitaciones de energía, nos vemos obligados a pensar en nuevas formas de comunicación. Este es un paso importante para hacer volar estos robots en entornos al aire libre donde no tenemos un sistema de seguimiento de movimiento de última generación bien ajustado», dice Kevin Chen, profesor asistente de D. Reid Weedon, Jr. en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), líder de los Laboratorios de Soft y Microrobótica en el Laboratorio de Investigación Electrónica (RLE) y autor principal del artículo.

Él y sus colaboradores lograron esto mediante la incorporación de diminutas partículas electroluminiscentes en los músculos artificiales. El proceso agrega solo un 2,5 por ciento más de peso sin afectar el rendimiento de vuelo del robot.

Junto a Chen en el trabajo están los estudiantes graduados de EECS Suhan Kim, el autor principal, y Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, PhD ’17; y Jie Mao, profesor asociado de la Universidad de Ningxia. El estudio fue publicado en este mes. Letras de robótica y automatización IEEE.

Un actuador de luz

Estos investigadores han demostrado previamente una nueva técnica de fabricación para construir actuadores suaves, o músculos artificiales, que mueven 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 blando. Cuando se aplica un voltaje a este cilindro, los electrodos comprimen el elastómero y la tensión mecánica hace que el ala aletee.

Para crear un actuador brillante, el equipo incorporó partículas de sulfato de zinc electroluminiscentes en el elastómero, pero tuvo que superar varios desafíos en el proceso.

Primero, los investigadores tuvieron que crear un electrodo que no bloqueara la luz. Lo construyeron a partir de nanotubos de carbono altamente transparentes que tienen solo unos pocos nanómetros de espesor y dejan pasar la luz.

Sin embargo, las partículas de zinc solo brillan en presencia de un campo eléctrico muy fuerte y de alta frecuencia. Este campo eléctrico excita los electrones en las partículas de zinc, que luego emiten partículas de luz subatómicas llamadas fotones. Los investigadores usan alto voltaje para crear un fuerte campo eléctrico en el actuador suave y luego hacen funcionar el robot a alta frecuencia, lo que permite que las partículas brillen intensamente.

«Los materiales electroluminiscentes tradicionales son energéticamente muy caros, pero en cierto sentido obtenemos esta electroluminiscencia gratis simplemente 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 por ciento más de energía para emitir luz”, dice Kevin Chen.

Cuando crearon un prototipo del actuador, descubrieron que agregar partículas de zinc reducía su calidad y hacía que se descompusiera más fácilmente. Para evitar esto, Kim solo mezcló partículas de zinc en la capa superior de elastómero. Hizo esta capa unas pocas micras más gruesa para compensar la caída en la potencia de salida.

Si bien esto hizo que el actuador fuera un 2,5 por ciento más pesado, emitió luz sin sacrificar el rendimiento del vuelo.

“Hemos puesto mucho cuidado en mantener la calidad de las capas elastoméricas 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.

Al ajustar la combinación química de las partículas de zinc, el color de la luz cambia. Los investigadores crearon partículas verdes, naranjas y azules para los actuadores que construyeron; cada actuador brilla en un solo color.

También optimizaron el proceso de fabricación, permitiendo que los actuadores emitieran luz multicolor y con patrones. Los investigadores colocaron una pequeña máscara sobre la capa superior, agregaron partículas de zinc y luego curaron el actuador. Repitieron este proceso tres veces usando diferentes máscaras y partículas de colores para crear un patrón de luz que deletreaba MIT.

Después de las luciérnagas

Después de afinar 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 electroluminiscente sirvió como un marcador activo que se podía rastrear con las cámaras de los iPhone. Las cámaras detectan cualquier color de luz, y un programa de computadora que desarrollaron rastrea la posición y la postura de los robots dentro de los 2 milímetros de los sistemas de detección de movimiento por infrarrojos de última generación.

“Estamos muy orgullosos de lo bueno que es el resultado del seguimiento en comparación con el estado del arte. Usamos hardware barato en comparación con las decenas de miles de dólares que cuestan estos grandes sistemas de seguimiento de movimiento, y los resultados de seguimiento fueron muy parecidos», dice Kevin Chen.

En el futuro, planean mejorar este sistema de seguimiento de movimiento para que pueda rastrear robots en tiempo real. El equipo está trabajando para integrar señales de control para que los robots puedan encender y apagar sus luces durante el vuelo y comunicarse más como luciérnagas reales. También están investigando cómo la electroluminiscencia podría incluso mejorar algunas propiedades de estos músculos artificiales blandos, dice Kevin Chen.

Este trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Vídeo: https://youtu.be/V5ZJOhkSRWk

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