หุ่นยนต์แมลงสายฟ้าบินได้
หิ่งห้อยที่ส่องสว่างในสวนหลังบ้านที่มืดมิดในช่วงเย็นของฤดูร้อนที่อบอุ่นใช้แสงของพวกมันในการสื่อสาร เพื่อดึงดูดคู่ครอง ขับไล่ผู้ล่า หรือล่อเหยื่อ
ข้อบกพร่องที่เปล่งประกายเหล่านี้ยังจุดประกายแรงบันดาลใจของนักวิทยาศาสตร์ที่ MIT พวกเขาสร้างกล้ามเนื้อเทียมที่อ่อนนุ่มเรืองแสงได้โดยใช้สัญญาณจากธรรมชาติสำหรับหุ่นยนต์ขนาดแมลงบินได้ กล้ามเนื้อเทียมเล็กๆ ที่ควบคุมปีกของหุ่นยนต์จะเปล่งแสงสีระหว่างการบิน
การเรืองแสงด้วยไฟฟ้านี้สามารถช่วยให้หุ่นยนต์สามารถสื่อสารกันได้ ตัวอย่างเช่น หากส่งภารกิจค้นหาและกู้ภัยเข้าไปในอาคารที่ถล่ม หุ่นยนต์ที่ค้นหาผู้รอดชีวิตสามารถใช้ไฟส่งสัญญาณให้ผู้อื่นและขอความช่วยเหลือได้
ความสามารถในการเปล่งแสงยังทำให้หุ่นยนต์ไมโครสเกลเหล่านี้ ซึ่งมีน้ำหนักมากกว่าคลิปหนีบกระดาษ เพียงก้าวเดียวที่จะบินได้ด้วยตัวเองนอกห้องแล็บ หุ่นยนต์เหล่านี้มีน้ำหนักเบามากจนไม่สามารถพกพาเซ็นเซอร์ได้ ดังนั้นนักวิจัยจึงต้องติดตามโดยใช้กล้องอินฟราเรดขนาดใหญ่ซึ่งใช้งานกลางแจ้งได้ไม่ดี ตอนนี้พวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถติดตามหุ่นยนต์ได้อย่างแม่นยำโดยใช้แสงที่ปล่อยออกมาและมีเพียงกล้องสมาร์ทโฟนสามตัวเท่านั้น
“ถ้าคุณนึกถึงหุ่นยนต์ขนาดใหญ่ พวกมันสามารถสื่อสารโดยใช้เครื่องมือต่าง ๆ มากมาย ไม่ว่าจะเป็นบลูทูธ ไร้สาย อะไรพวกนี้ แต่สำหรับหุ่นยนต์ตัวเล็กที่จำกัดกำลัง เราถูกบังคับให้คิดเกี่ยวกับโหมดใหม่ของ การสื่อสาร นี่เป็นก้าวสำคัญในการบินหุ่นยนต์เหล่านี้ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งที่เราไม่มีระบบติดตามการเคลื่อนไหวที่ล้ำสมัยที่ได้รับการปรับแต่งมาอย่างดี” เควินเฉินซึ่งเป็น D. Reid Weedon จูเนียร์กล่าว . ผู้ช่วยศาสตราจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ (EECS) หัวหน้าห้องปฏิบัติการหุ่นยนต์นิ่มและไมโครในห้องปฏิบัติการวิจัยอิเล็กทรอนิกส์ (RLE) และผู้เขียนอาวุโสของบทความ
เขาและผู้ทำงานร่วมกันทำสิ่งนี้ได้สำเร็จโดยฝังอนุภาคอิเล็กโทรลูมิเนสเซนต์ขนาดเล็กลงในกล้ามเนื้อเทียม กระบวนการนี้เพิ่มน้ำหนักเพียง 2.5 เปอร์เซ็นต์ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการบินของหุ่นยนต์
ซูฮัน คิม หัวหน้าผู้เขียนรายงาน และอี-ซวน เซียว เข้าร่วมในรายงานฉบับนี้ด้วย ได้แก่ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ EECS Yu Fan Chen SM ’14 ปริญญาเอก ’17; และ Jie Mao รองศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Ningxia งานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในเดือนนี้ใน IEEE Robotics and Automation Letters
แอคทูเอเตอร์แบบมีไฟ
ก่อนหน้านี้นักวิจัยเหล่านี้ได้สาธิตเทคนิคการประดิษฐ์แบบใหม่เพื่อสร้างตัวกระตุ้นที่อ่อนนุ่มหรือกล้ามเนื้อเทียมที่กระพือปีกของหุ่นยนต์ แอคทูเอเตอร์ที่ทนทานเหล่านี้ผลิตขึ้นโดยการสลับชั้นอิลาสโตเมอร์บางเฉียบของอิลาสโตเมอร์และอิเล็กโทรดนาโนทิวบ์คาร์บอนในปึกกระดาษ จากนั้นม้วนให้เป็นทรงกระบอกที่นิ่ม เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับกระบอกสูบนั้น อิเล็กโทรดจะบีบอีลาสโตเมอร์ และความเครียดทางกลจะกระพือปีก
ในการสร้างแอคทูเอเตอร์ที่เรืองแสง ทีมงานได้รวมอนุภาคสังกะสีซัลเฟตอิเล็กโตรลูมิเนสเซนต์ไว้ในอีลาสโตเมอร์ แต่ต้องเอาชนะความท้าทายหลายอย่างไปพร้อมกัน
ประการแรก นักวิจัยต้องสร้างอิเล็กโทรดที่จะไม่ปิดกั้นแสง พวกเขาสร้างมันขึ้นมาโดยใช้ท่อนาโนคาร์บอนที่มีความโปร่งใสสูง ซึ่งมีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตรและทำให้แสงส่องผ่านได้
อย่างไรก็ตาม อนุภาคสังกะสีจะสว่างขึ้นเมื่อมีสนามไฟฟ้าแรงสูงและความถี่สูงเท่านั้น สนามไฟฟ้านี้กระตุ้นอิเล็กตรอนในอนุภาคสังกะสี ซึ่งจะปล่อยอนุภาคย่อยของแสงที่เรียกว่าโฟตอน นักวิจัยใช้ไฟฟ้าแรงสูงเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าแรงในตัวกระตุ้นแบบอ่อน จากนั้นขับหุ่นยนต์ด้วยความถี่สูง ซึ่งช่วยให้อนุภาคสว่างขึ้นได้
“ตามเนื้อผ้า วัสดุเรืองแสงจะมีราคาแพงมาก แต่ในแง่หนึ่ง เราได้รับหลอดไฟฟ้าที่เรืองแสงได้ฟรี เพราะเราเพียงแค่ใช้สนามไฟฟ้าที่ความถี่ที่เราต้องการสำหรับการบิน เราไม่ต้องการการกระตุ้นใหม่ สายไฟใหม่ หรืออะไรก็ตาม เควิน เฉินใช้พลังงานมากขึ้นเพียง 3 เปอร์เซ็นต์เท่านั้นในการเปล่งแสง”
เมื่อพวกเขาสร้างต้นแบบของแอคทูเอเตอร์ พวกเขาพบว่าการเพิ่มอนุภาคสังกะสีทำให้คุณภาพลดลง ทำให้สลายได้ง่ายขึ้น เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ Kim ได้ผสมอนุภาคสังกะสีลงในชั้นอีลาสโตเมอร์ด้านบนเท่านั้น เขาทำให้ชั้นนั้นหนาขึ้นสองสามไมโครเมตรเพื่อรองรับการลดกำลังขับ
แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้แอคทูเอเตอร์หนักขึ้น 2.5 เปอร์เซ็นต์ แต่ก็ปล่อยแสงออกมาโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการบิน
“เราใส่ใจอย่างมากในการรักษาคุณภาพของชั้นอีลาสโตเมอร์ระหว่างอิเล็กโทรด การเพิ่มอนุภาคเหล่านี้เกือบจะเหมือนกับการเพิ่มฝุ่นลงในชั้นอีลาสโตเมอร์ของเรา ซึ่งต้องใช้วิธีการต่างๆ มากมายและการทดสอบมากมาย แต่เราได้วิธี เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของแอคทูเอเตอร์” คิมกล่าว
การปรับส่วนผสมทางเคมีของอนุภาคสังกะสีจะเปลี่ยนสีของแสง นักวิจัยได้สร้างอนุภาคสีเขียว สีส้ม และสีน้ำเงินสำหรับตัวกระตุ้นที่พวกเขาสร้างขึ้น แอคทูเอเตอร์แต่ละตัวจะส่องแสงสีทึบหนึ่งสี
พวกเขายังปรับแต่งกระบวนการผลิตเพื่อให้แอคทูเอเตอร์สามารถปล่อยแสงหลากสีและลวดลาย นักวิจัยวางหน้ากากขนาดเล็กไว้เหนือชั้นบนสุด เติมอนุภาคสังกะสี แล้วรักษาตัวกระตุ้น พวกเขาทำซ้ำขั้นตอนนี้สามครั้งด้วยหน้ากากและอนุภาคสีต่างๆ เพื่อสร้างรูปแบบแสงที่สะกดว่า M-I-T
ตามหิ่งห้อย
เมื่อพวกเขาปรับกระบวนการผลิตอย่างละเอียดแล้ว พวกเขาทดสอบคุณสมบัติทางกลของแอคทูเอเตอร์ และใช้เครื่องวัดการเรืองแสงเพื่อวัดความเข้มของแสง
จากนั้นพวกเขาทำการทดสอบการบินโดยใช้ระบบติดตามการเคลื่อนไหวที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ แอคทูเอเตอร์เรืองแสงแต่ละตัวทำหน้าที่เป็นเครื่องหมายแอคทีฟที่สามารถติดตามได้โดยใช้กล้องของ iPhone กล้องตรวจจับสีของแสงแต่ละสี และโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่พัฒนาขึ้นจะติดตามตำแหน่งและทัศนคติของหุ่นยนต์ไปยังระบบจับภาพการเคลื่อนไหวด้วยอินฟราเรดที่ล้ำสมัยภายใน 2 มิลลิเมตร
“เราภูมิใจมากที่ผลการติดตามนั้นดีเพียงใด เมื่อเทียบกับความล้ำสมัย เราใช้ฮาร์ดแวร์ราคาถูก เมื่อเทียบกับราคาระบบติดตามการเคลื่อนไหวขนาดใหญ่เหล่านี้ที่มีราคาหลายหมื่นดอลลาร์ และผลการติดตาม สนิทกันมาก” เควิน เฉินกล่าว
ในอนาคตพวกเขาวางแผนที่จะปรับปรุงระบบติดตามการเคลื่อนไหวเพื่อให้สามารถติดตามหุ่นยนต์ได้แบบเรียลไทม์ ทีมงานกำลังทำงานเพื่อรวมสัญญาณควบคุมเพื่อให้หุ่นยนต์สามารถเปิดและปิดไฟระหว่างการบินและสื่อสารได้เหมือนหิ่งห้อยจริง พวกเขายังศึกษาว่าการเรืองแสงด้วยไฟฟ้าสามารถปรับปรุงคุณสมบัติบางอย่างของกล้ามเนื้อเทียมที่อ่อนนุ่มเหล่านี้ได้อย่างไร Kevin Chen กล่าว
สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ kamagayajc.com