麻省理工学院的微型机器人闪电虫子飞起来啦

　　受萤火虫的启发，麻省理工学院的科学家们创造了柔软的致动器，可以发出不同颜色或图案的光。图片来源：由研究人员提供
　　受萤火虫的启发，科学家们创造了昆虫规模的机器人，可以在飞行时发光，从而实现运动跟踪和通信。
　　在温暖的夏夜，闪电虫会照亮昏暗的后院，利用它们的发光进行交流吸引配偶、抵御捕食者或引诱猎物。
　　这些闪闪发光的萤火虫也激发了麻省理工学院研究人员的灵感。从大自然中汲取灵感，他们为飞行的昆虫级机器人构建了电致发光的软人造肌肉。控制机器人翅膀的微小人造肌肉在飞行过程中会发出彩色光。
　　这种电致发光可以使机器人相互通信。例如，如果被派往一座倒塌的建筑物中执行搜救任务，一个发现幸存者的机器人可以使用灯光向他人发出信号并寻求帮助。
　　发光的能力也使这些重量不超过回形针的微型机器人离在实验室外自行飞行更近了一步。这些机器人非常轻巧，无法携带传感器，因此研究人员必须使用笨重的红外摄像机跟踪它们，这些摄像机在户外不能很好地工作。现在，他们已经证明，他们可以精确地使用飞行机器人发出的光和三个智能手机摄像头来跟踪它们。
　　这些控制羽量级飞行机器人翅膀的人造肌肉在机器人飞行时会发光，这为跟踪机器人提供了一种低成本的方式，也可以使它们进行通信。图片来源：由研究人员提供
　　如果你想到大型机器人，它们可以使用许多不同的工具进行通信蓝牙，无线，所有这些东西。但对于一个微小的、功率受限的机器人，我们被迫考虑新的通信模式。这是在户外环境中飞行这些机器人的重要一步，在那里我们没有一个经过良好调整的，最先进的运动跟踪系统，KevinChen说，他是电气工程和计算机科学系（EECS）的D。ReidWeedon，Jr。助理教授，电子研究实验室（RLE）软和微机器人实验室的负责人。以及该论文的资深作者。
　　他和他的同事通过将微小的电致发光粒子嵌入人造肌肉中来实现这一目标。这个过程只增加了2。5的重量，而不会影响机器人的飞行性能。
　　该研究最近发表在IEEERoboticsandAutomationLetters上。与Chen一起发表论文的是EECS研究生SuhanKim，主要作者和YiHsuanHsiao；陈宇帆SM14，博士17；还有宁夏大学副教授毛杰。点亮执行器
　　此前，这些科学家展示了一种新的制造技术，可以制造出柔软的致动器或人造肌肉，从而拍打机器人的翅膀。这些耐用的执行器是通过将弹性体和碳纳米管电极的超薄层交替堆叠，然后将其滚动到粘稠的圆柱体中制成的。当向该圆柱体施加电压时，电极挤压弹性体，机械应变使机翼拍打。
　　为了制造发光致动器，研究人员将电致硫酸锌颗粒掺入弹性体中，但在此过程中必须克服一些挑战。
　　首先，该团队必须创建一个不会阻挡光线的电极。他们使用高度透明的碳纳米管建造了它，这些碳纳米管只有几纳米厚，使光线能够通过。
　　然而，锌颗粒仅在存在非常强的高频电场时才点亮。该电场激发锌粒子中的电子，然后发射称为光子的亚原子光粒子。科学家们利用高电压在软致动器中产生强电场，然后以高频率驱动机器人，使粒子能够明亮地发光。
　　传统上，电致发光材料在能量上非常昂贵，但从某种意义上说，我们免费获得电致发光，因为我们只是在飞行所需的频率下使用电场。我们不需要新的驱动装置，新的电线或任何东西。只需要大约3的能量就能发光，KevinChen说。
　　当他们对致动器进行原型设计时，他们发现添加锌颗粒会降低其质量，导致其更容易分解。为了解决这个问题，Kim仅将锌颗粒混合到顶部弹性体层中。他使该层厚了几微米，以适应输出功率的任何降低。
　　虽然这使得执行器的重量增加了2。5，但它在不影响飞行性能的情况下发光。
　　我们非常注意保持电极之间弹性体层的质量。添加这些颗粒几乎就像在我们的弹性体层中添加灰尘一样。这需要许多不同的方法和大量的测试，但我们提出了一种方法来确保执行器的质量，Kim说。
　　调整锌颗粒的化学组合会改变光色。研究小组为他们建造的执行器制作了绿色，橙色和蓝色颗粒；每个致动器都闪耀着一种纯色。
　　他们还调整了制造工艺，以便执行器可以发出多色和图案化的光。研究人员在顶层放置一个微小的掩模，添加锌颗粒，然后固化致动器。他们用不同的面具和彩色颗粒重复了这个过程三次，以创建拼写MIT的光图案。跟随萤火虫
　　一旦他们微调了制造过程，他们就测试了致动器的机械性能，并使用发光计来测量光的强度。
　　从那里，他们使用专门设计的运动跟踪系统进行了飞行测试。每个电致发光致动器都是一个主动标记，可以使用iPhone摄像头进行跟踪。相机检测每种光色，他们开发的计算机程序跟踪机器人的位置和姿态，距离最先进的红外运动捕捉系统不到2毫米。
　　与最先进的相比，我们对跟踪结果的好感感到非常自豪。我们使用的是廉价的硬件，而这些大型运动跟踪系统的成本高达数万美元，跟踪结果非常接近，KevinChen说。
　　未来，他们计划增强该运动跟踪系统，以便它可以实时跟踪机器人。该小组正在努力整合控制信号，以便机器人可以在飞行过程中打开和关闭灯光，并像真正的萤火虫一样进行交流。他们还在研究电致发光如何改善这些柔软人造肌肉的某些特性，KevinChen说。
　　这项工作非常有趣，因为它在不影响飞行性能的情况下最大限度地减少了轻型发电的开销（重量和功率），科罗拉多大学博尔德分校机械工程系助理教授KaushikJayaram说，他没有参与这项研究。这项工作中演示的翼拍同步闪光灯生成将使在室内和室外的低光照环境中更容易对多个微型机器人进行运动跟踪和飞行控制。
　　虽然光的产生，生物萤火虫的回忆以及这项工作中呈现的通信的潜在用途非常有趣，但我相信真正的动力是，这一最新发展可能成为在受控实验室条件之外展示这些机器人的里程碑，香港城市大学生物医学工程系副教授PakpongChirarattananon补充道。他也没有参与这项工作。
　　发光执行器可能充当外部摄像机的活动标记，为飞行稳定提供实时反馈，以取代当前的动作捕捉系统。电致发光将允许使用不太复杂的设备，并从远处跟踪机器人，也许通过另一个更大的移动机器人，用于现实世界的部署。这将是一个了不起的突破。我会很高兴看到作者接下来能取得什么成就。