Inspirés par les lucioles, les chercheurs créent des robots à l’échelle des insectes qui peuvent émettre de la lumière lorsqu’ils volent, ce qui permet le suivi des mouvements et la communication

Ces insectes scintillants ont également suscité l’inspiration des scientifiques du MIT. S’inspirant de la nature, ils ont construit des muscles artificiels souples électroluminescents pour des robots volants à l’échelle des insectes. Les minuscules muscles artificiels qui contrôlent les ailes des robots émettent une lumière colorée pendant le vol.

Cette électroluminescence pourrait permettre aux robots de communiquer entre eux. S’il est envoyé en mission de recherche et de sauvetage dans un bâtiment effondré, par exemple, un robot qui trouve des survivants pourrait utiliser des lumières pour signaler les autres et appeler à l’aide.

La capacité d’émettre de la lumière rapproche également ces robots microscopiques, qui pèsent à peine plus qu’un trombone, d’un pas de plus vers le vol autonome en dehors du laboratoire. Ces robots sont si légers qu’ils ne peuvent pas transporter de capteurs, les chercheurs doivent donc les suivre à l’aide de caméras infrarouges encombrantes qui ne fonctionnent pas bien à l’extérieur. Maintenant, ils ont montré qu’ils pouvaient suivre les robots avec précision en utilisant la lumière qu’ils émettent et seulement trois caméras de smartphone.

“Si vous pensez à des robots à grande échelle, ils peuvent communiquer à l’aide de nombreux outils différents – Bluetooth, sans fil, toutes ces sortes de choses. Mais pour un petit robot à puissance limitée, nous sommes obligés de penser à de nouveaux modes de Il s’agit d’une étape majeure vers le pilotage de ces robots dans des environnements extérieurs où nous ne disposons pas d’un système de suivi de mouvement à la pointe de la technologie », déclare Kevin Chen, qui est le D. Reid Weedon, Jr. Professeur adjoint au Département de génie électrique et d’informatique (EECS), responsable du laboratoire Soft and Micro Robotics du Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et auteur principal de l’article.

Lui et ses collaborateurs y sont parvenus en incorporant de minuscules particules électroluminescentes dans les muscles artificiels. Le processus ajoute seulement 2,5 % de poids en plus sans affecter les performances de vol du robot.

Rejoindre Chen sur le papier sont les étudiants diplômés EECS Suhan Kim, l’auteur principal, et Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, PhD ’17; et Jie Mao, professeur associé à l’Université de Ningxia. La recherche a été publiée ce mois-ci dans Lettres IEEE sur la robotique et l’automatisation.

Un actionneur lumineux

Ces chercheurs ont précédemment démontré une nouvelle technique de fabrication pour construire des actionneurs souples, ou muscles artificiels, qui battent les ailes du robot. Ces actionneurs durables sont fabriqués en alternant des couches ultrafines d’électrode en élastomère et en nanotube de carbone dans une pile, puis en les roulant dans un cylindre spongieux. Lorsqu’une tension est appliquée à ce cylindre, les électrodes compriment l’élastomère et la contrainte mécanique fait battre l’aile.

Pour fabriquer un actionneur incandescent, l’équipe a incorporé des particules de sulfate de zinc électroluminescentes dans l’élastomère, mais a dû surmonter plusieurs défis en cours de route.

Tout d’abord, les chercheurs ont dû créer une électrode qui ne bloquerait pas la lumière. Ils l’ont construit à l’aide de nanotubes de carbone hautement transparents, qui ne mesurent que quelques nanomètres d’épaisseur et laissent passer la lumière.

Cependant, les particules de zinc ne s’allument qu’en présence d’un champ électrique très fort et à haute fréquence. Ce champ électrique excite les électrons dans les particules de zinc, qui émettent alors des particules subatomiques de lumière appelées photons. Les chercheurs utilisent une haute tension pour créer un champ électrique puissant dans l’actionneur souple, puis pilotent le robot à une fréquence élevée, ce qui permet aux particules de s’allumer avec éclat.

“Traditionnellement, les matériaux électroluminescents sont très coûteux en énergie, mais dans un sens, nous obtenons cette électroluminescence gratuitement parce que nous utilisons simplement le champ électrique à la fréquence dont nous avons besoin pour voler. Nous n’avons pas besoin d’un nouvel actionnement, de nouveaux fils ou quoi que ce soit. Il ne faut qu’environ 3 % d’énergie en plus pour faire briller la lumière », explique Kevin Chen.

Lors du prototypage de l’actionneur, ils ont constaté que l’ajout de particules de zinc réduisait sa qualité, l’amenant à se décomposer plus facilement. Pour contourner ce problème, Kim a mélangé des particules de zinc uniquement dans la couche supérieure d’élastomère. Il a épaissi cette couche de quelques micromètres pour s’adapter à toute réduction de la puissance de sortie.

Bien que cela rende l’actionneur 2,5 % plus lourd, il émet de la lumière sans affecter les performances de vol.

“Nous avons accordé beaucoup d’attention au maintien de la qualité des couches d’élastomère entre les électrodes. L’ajout de ces particules revenait presque à ajouter de la poussière à notre couche d’élastomère. Il a fallu de nombreuses approches différentes et de nombreux tests, mais nous avons trouvé un moyen pour garantir la qualité de l’actionneur », déclare Kim.

Le réglage de la combinaison chimique des particules de zinc modifie la couleur de la lumière. Les chercheurs ont fabriqué des particules vertes, oranges et bleues pour les actionneurs qu’ils ont construits ; chaque actionneur brille d’une couleur unie.

Ils ont également modifié le processus de fabrication afin que les actionneurs puissent émettre une lumière multicolore et à motifs. Les chercheurs ont placé un minuscule masque sur la couche supérieure, ajouté des particules de zinc, puis durci l’actionneur. Ils ont répété ce processus trois fois avec différents masques et particules colorées pour créer un motif lumineux qui épelait MIT.

A la poursuite des lucioles

Après avoir affiné le processus de fabrication, ils ont testé les propriétés mécaniques des actionneurs et ont utilisé un luminescencemètre pour mesurer l’intensité de la lumière.

À partir de là, ils ont effectué des essais en vol à l’aide d’un système de suivi de mouvement spécialement conçu. Chaque actionneur électroluminescent servait de marqueur actif pouvant être suivi à l’aide de caméras iPhone. Les caméras détectent chaque couleur de lumière et un programme informatique qu’elles ont développé suit la position et l’attitude des robots à moins de 2 millimètres des systèmes de capture de mouvement infrarouges de pointe.

“Nous sommes très fiers de la qualité du résultat de suivi, par rapport à l’état de l’art. Nous utilisions du matériel bon marché, par rapport aux dizaines de milliers de dollars que coûtent ces grands systèmes de suivi de mouvement, et les résultats de suivi étaient très proches », dit Kevin Chen.

À l’avenir, ils prévoient d’améliorer ce système de suivi des mouvements afin qu’il puisse suivre les robots en temps réel. L’équipe travaille à incorporer des signaux de contrôle afin que les robots puissent allumer et éteindre leur lumière pendant le vol et communiquer davantage comme de vraies lucioles. Ils étudient également comment l’électroluminescence pourrait même améliorer certaines propriétés de ces muscles artificiels mous, explique Kevin Chen.

Ce travail a été soutenu par le Laboratoire de recherche en électronique du MIT.

Vidéo: https://youtu.be/V5ZJOhkSRWk