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機器人閃電昆蟲在飛行| 麻省理工學院新聞

機器人閃電昆蟲在飛行| 麻省理工學院新聞

在溫暖的夏夜照亮黑暗的後院的螢火蟲利用它們的光度進行交流——吸引配偶、趕走掠食者或引誘獵物。

這些閃爍的昆蟲也啟發了麻省理工學院的科學家,他們從大自然中汲取靈感,為昆蟲大規模建造了用於飛行的柔軟、電磁的人造肌肉。控制機器人翅膀的微小人造肌肉發出五顏六色的光當他們飛的時候。

這種電致發光可以使機器人相互通信。 例如,如果它被派往倒塌的建築物執行搜救任務,找到倖存者的機器人可以使用燈光向其他人發出信號並尋求幫助。

發光的能力也讓這些僅重不過一個回形針的微型機器人離獨自飛出實驗室又近了一步。 這些機器人太輕而無法容納傳感器,因此研究人員必須使用在戶外無法正常工作的大型紅外攝像機跟踪它們。 現在,他們已經證明,只需使用機器人發出的光和三個智能手機攝像頭,他們就可以準確地跟踪機器人。

“如果你想到大型機器人,它們可以使用許多不同的小工具進行通信——藍牙、無線,所有這些東西。但對於受電力限制的小型機器人,我們必須考慮新的通信方式. 這是在我們沒有復雜且定義明確的運動跟踪系統的戶外環境中駕駛這些機器人邁出的一大步,”D. Reid Weedon, Jr. 的 Kevin Chen 說。 電氣工程與計算機科學系(EECS)助理教授,研究電子實驗室(RLE)軟和小型機器人實驗室主席,該研究的高級作者。

他和他的合作者通過在人造肌肉中加入微小顆粒來實現這一點,這個過程僅增加了 2.5% 的額外重量,而不會影響機器人的飛行性能。

EECS 研究生、主要作者 Suhan Kim 和 Yi-Hsuan Hsiao 加入了 Chen 的論文; 於凡陳 SM ’14,博士 ’17; 和寧夏大學助理教授吉茂。 該研究於本月發表在 IEEE 機器人和自動化快報。

光學播放器

這些研究人員之前展示了一種新的製造技術來製造軟電機或人造肌肉,使機器人的翅膀顫動。 這些耐用的致動器是通過交替堆疊的超薄彈性體層和碳納米管電極,然後將其捲成柔軟的形狀製成的。 當向該圓柱體施加力時,電極會壓在彈性體上,機械應力會撞擊機翼。

為了製造發光的致動器,該團隊將電致發光硫酸鋅顆粒加入彈性體中,但在此過程中必須克服幾個挑戰。

首先,研究人員必須製造一個不會阻擋光線的電極,他們使用高度透明的碳納米管製造它,只有幾納米厚,可以讓光線通過。

然而,鋅粒子只有在非常強的高頻電場存在時才會發光,這個電場會激發鋅粒子中的電子,然後發射出稱為光子的亞原子光粒子。 在軟執行器中產生一個強電場,然後以高頻驅動機器人,使粒子發光。

“傳統上,電致發光材料在能量方面非常昂貴,但從某種意義上說,我們免費獲得這種電致發光,因為我們只是在我們需要飛行的頻率下使用電場。我們不需要新的驅動器或新的電線或任何東西,”Kevin Chen 說。它只需要大約 3% 的能量。

在設計觸發器原型時,他們發現添加鋅顆粒會降低其質量,使其更容易降解。 為了解決這個問題,Kim 只在彈性體的頂層混合了鋅顆粒。 對於功率輸出的任何減少。

雖然這使扳機重了 2.5%,但它在不影響飛行性能的情況下發光。

“我們非常注意保持電極之間彈性體層的質量。添加這些顆粒就像在彈性體層中添加灰塵。它採用了許多不同的方法和大量測試,但我們想出了一種方法來確保執行器的質量,”Kim 說。

改變鋅顆粒的化學成分會改變光的顏色,研究人員製造綠色、橙色和藍色顆粒來製造觸發器; 每個觸發器都會亮起一種純色。

他們還修改了製造工藝,使觸發器可以發出多色圖案的光。 研究人員在頂層放置了一個小面罩,添加了鋅顆粒,然後對執行器進行了處理。 他們用不同的面具和彩色粒子重複這個過程三遍,創造出一種拼寫為 MIT 的光圖案。

在螢火蟲之後

製造過程完成後,他們測試了致動器的機械性能,並使用熒光計來測量光的強度。

從那裡,他們使用專門設計的運動跟踪系統進行了飛行測試。 每個電子觸發器都是一個有源標籤,可以使用 iPhone 攝像頭進行跟踪。 攝像頭檢測每一種光色,他們開發的計算機程序可在最新的紅外動作捕捉系統 2 毫米範圍內跟踪機器人的位置和位置。

“與最新的技術相比,我們對跟踪結果有多好感到非常自豪。與這些大型運動跟踪系統花費數万美元相比,我們使用的是廉價硬件,而且跟踪結果非常好, ”陳凱文說。

未來,他們計劃增強這種運動跟踪系統,使其可以實時跟踪機器人。團隊正在努力整合控制信號,使機器人在飛行時可以開燈和關燈,並像真正的螢火蟲一樣進行交流。 Kevin Chen 也在研究電光如何改善這些柔軟的人造肌肉的某些特性。

Kaushik Jayaram 說,他是科羅拉多大學博爾德分校機械工程系的助理教授,他沒有參與這項研究。 “這項工作中展示的同步閃光產生的機翼脈衝將更容易在室內和室外的弱光環境中跟踪運動和控制多個小型機器人的飛行。”

Pakpong 補充說:“雖然光的產生、生物螢火蟲的記憶以及這項工作中展示的潛在通信用途非常有趣,但我認為真正的推動力是,這一最新發展可能成為向國外展示這些機器人的里程碑。”香港城市大學生物醫學工程系副教授 Chiraratanon 也沒有參與這項工作。動作捕捉系統。 電致發光將允許使用不太複雜的設備和遠距離跟踪機器人,可能通過另一個更大的移動機器人在現實世界中部署。 這將是一個重大突破。 我很高興看到作者接下來會完成什麼。”

這項工作得到了麻省理工學院電子研究實驗室的支持。

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