受萤火虫的启发研究人员创造了昆虫规模的机器人

受萤火虫的启发，研究人员创造了昆虫规模的机器人，它们可以在飞行时发光，从而实现运动跟踪和通信。在温暖的夏夜照亮昏暗的后院的萤火虫利用它们的发光进行交流——吸引配偶、抵御掠食者或引诱猎物。

受萤火虫的启发，麻省理工学院的研究人员创造了可以发出不同颜色或图案的光的软执行器。研究人员/麻省理工学院的插图

这些闪闪发光的虫子也激发了麻省理工学院科学家的灵感。他们自然而然地为飞行的昆虫级机器人制造了电致发光的柔软人造肌肉。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，如果将搜索和救援任务派往倒塌的建筑物中，找到幸存者的机器人可以使用灯光向其他人发出信号并寻求帮助。

发光的能力也让这些仅比回形针重的微型机器人离在实验室外自主飞行更近了一步。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在户外无法正常工作的笨重红外摄像机来跟踪它们。现在，他们已经证明他们可以使用机器人发出的光和三个智能手机摄像头精确跟踪机器人。

他和他的合作者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。该过程仅增加了2.5%的重量，而不会影响机器人的飞行性能。

与陈一起发表论文的是EECS研究生SuhanKim、主要作者和Yi-HsuanHsiao;于凡陈SM'14,博士'17;和宁夏大学副教授毛杰。该研究发表在IEEERoboticsandAutomationLetters上。

点亮执行器

这些研究人员之前展示了一种新的制造技术，用于制造能够拍动机器人翅膀的软致动器或人造肌肉。这些耐用的致动器是通过交替堆叠的超薄弹性体和碳纳米管电极层制成的，然后将其卷成柔软的圆柱体。当向该气缸施加电压时，电极会挤压弹性体，机械应变会拍打机翼。

为了制造发光的致动器，该团队将电致发光硫酸锌颗粒加入弹性体中，但在此过程中必须克服几个挑战。

首先，研究人员必须制造一种不会阻挡光线的电极。他们使用高度透明的碳纳米管建造它，这些碳纳米管只有几纳米厚，可以让光线通过。

然而，锌颗粒只有在非常强的高频电场存在时才会发光。该电场激发锌粒子中的电子，发射出称为光子的亚原子光粒子。研究人员利用高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，我们可以免费获得电致发光，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、新的电线或任何东西。发光只需要大约3%的能量，”KevinChen说。

当他们对执行器进行原型设计时，他们发现添加锌颗粒会降低其质量，使其更容易分解。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。

虽然这使致动器重了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。它采用了许多不同的方法和大量测试，但我们想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的颜色。研究人员为他们制造的致动器制造了绿色、橙色和蓝色颗粒;每个执行器都会发出一种纯色。

他们还调整了制造过程，使致动器可以发出多色和图案化的光。研究人员在顶层放置了一个小面罩，添加了锌颗粒，然后固化了执行器。他们用不同的面具和彩色粒子重复这个过程，创造出一种拼写为MIT的光图案。

跟着萤火虫

一旦他们对制造过程进行了微调，他们就会测试致动器的机械性能，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飞行测试。每个电致发光致动器都充当了可以使用iPhone摄像头跟踪的主动标记。摄像机检测每种光的颜色，他们开发的计算机程序将机器人的位置和姿态跟踪到最先进的红外运动捕捉系统的2毫米以内。

“与最先进的技术相比，我们对跟踪结果有多好感到非常自豪。与这些大型运动跟踪系统的数万美元成本相比，我们使用的是廉价硬件，而且跟踪结果非常接近，”KevinChen说。

未来，他们计划增强该运动跟踪系统，以便实时跟踪机器人。该团队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，并更像真正的萤火虫一样进行交流。KevinChen说，他们还在研究电致发光如何甚至可以改善这些柔软的人造肌肉的某些特性。

“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光产生的开销(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。“这项工作中展示的wingbeat同步闪光生成将使多个微型机器人在室内和室外的弱光环境中更容易进行运动跟踪和飞行控制。”

“虽然这项工作中呈现的光产生、生物萤火虫的回忆以及潜在的通信用途非常有趣，但我相信真正的动力是，这一最新发展可能成为这些机器人在室外展示的里程碑受控的实验室条件，”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。

“照明致动器可能充当外部摄像头的主动标记，为飞行稳定提供实时反馈，以取代当前的动作捕捉系统。电致发光将允许从远处跟踪不太复杂的设备和机器人，可能通过另一个更大的移动机器人进行实际部署。这将是一个了不起的突破。我很高兴看到作者接下来会完成什么。”

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