Créditos: Cortesia dos pesquisadores
Inspirados em vaga-lumes, pesquisadores criam robôs em escala de insetos que podem emitir luz quando voam, o que permite rastreamento de movimento e comunicação.
Vagalumes que iluminam quintais escuros em noites quentes de verão usam sua luminescência para comunicação – para atrair um companheiro, afastar predadores ou atrair presas.
Esses insetos cintilantes também despertaram a inspiração dos cientistas do MIT. Seguindo uma sugestão da natureza, eles construíram músculos artificiais macios eletroluminescentes para robôs voadores em escala de insetos. Os minúsculos músculos artificiais que controlam as asas dos robôs emitem luz colorida durante o voo.
Essa eletroluminescência pode permitir que os robôs se comuniquem entre si. Se enviado em uma missão de busca e resgate em um prédio desmoronado, por exemplo, um robô que encontra sobreviventes pode usar luzes para sinalizar outras pessoas e pedir ajuda.
A capacidade de emitir luz também traz esses robôs de microescala, que pesam pouco mais que um clipe de papel, um passo mais perto de voar por conta própria fora do laboratório. Esses robôs são tão leves que não podem transportar sensores, então os pesquisadores devem rastreá-los usando câmeras infravermelhas volumosas que não funcionam bem ao ar livre. Agora, eles mostraram que podem rastrear os robôs com precisão usando a luz que emitem e apenas três câmeras de smartphones.
“Se você pensar em robôs de grande escala, eles podem se comunicar usando muitas ferramentas diferentes – Bluetooth, sem fio, todo esse tipo de coisa. Mas para um robô minúsculo e com restrição de energia, somos forçados a pensar em novos modos de comunicação. Este é um passo importante para pilotar esses robôs em ambientes externos onde não temos um sistema de rastreamento de movimento de última geração bem ajustado”, diz Kevin Chen, que é o D. Reid Weedon, Jr. Assistant Professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), chefe do Laboratório de Soft and Micro Robotics no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e autor sênior do artigo.
Ele e seus colaboradores conseguiram isso incorporando minúsculas partículas eletroluminescentes nos músculos artificiais. O processo adiciona apenas 2,5% a mais de peso sem afetar o desempenho de voo do robô.
Juntando-se a Chen no artigo estão os estudantes de pós-graduação do EECS Suhan Kim, o autor principal, e Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ’14, PhD ’17; e Jie Mao, professor associado da Universidade de Ningxia. A pesquisa foi publicada este mês no IEEE Robotics and Automation Letters.
Um atuador de luz
Esses pesquisadores demonstraram anteriormente uma nova técnica de fabricação para construir atuadores macios, ou músculos artificiais, que batem as asas do robô. Esses atuadores duráveis são feitos alternando camadas ultrafinas de eletrodo de elastômero e nanotubo de carbono em uma pilha e, em seguida, rolando-o em um cilindro macio. Quando uma tensão é aplicada a esse cilindro, os eletrodos comprimem o elastômero e a tensão mecânica bate a asa.
Para fabricar um atuador brilhante, a equipe incorporou partículas eletroluminescentes de sulfato de zinco no elastômero, mas teve que superar vários desafios ao longo do caminho.
Primeiro, os pesquisadores tiveram que criar um eletrodo que não bloqueasse a luz. Eles a construíram usando nanotubos de carbono altamente transparentes, que têm apenas alguns nanômetros de espessura e permitem a passagem da luz.
No entanto, as partículas de zinco só acendem na presença de um campo elétrico muito forte e de alta frequência. Este campo elétrico excita os elétrons nas partículas de zinco, que então emitem partículas subatômicas de luz conhecidas como fótons. Os pesquisadores usam alta voltagem para criar um forte campo elétrico no atuador macio e, em seguida, acionam o robô em alta frequência, o que permite que as partículas iluminem intensamente.
“Tradicionalmente, os materiais eletroluminescentes são energeticamente muito caros, mas, de certa forma, obtemos essa eletroluminescência de graça porque usamos o campo elétrico na frequência necessária para voar. Não precisamos de nova atuação, novos fios ou qualquer coisa. Leva apenas cerca de 3% a mais de energia para emitir luz”, diz Kevin Chen.
Ao prototipar o atuador, descobriram que a adição de partículas de zinco reduzia sua qualidade, fazendo com que se quebrasse mais facilmente. Para contornar isso, Kim misturou partículas de zinco apenas na camada superior de elastômero. Ele fez essa camada alguns micrômetros mais espessa para acomodar qualquer redução na potência de saída.
Embora isso tornasse o atuador 2,5% mais pesado, ele emitia luz sem afetar o desempenho do voo.
“Temos muito cuidado em manter a qualidade das camadas de elastômero entre os eletrodos. Adicionar essas partículas foi quase como adicionar poeira à nossa camada de elastômero. Foram necessárias muitas abordagens diferentes e muitos testes, mas encontramos uma maneira de garantir a qualidade do atuador”, diz Kim.
Ajustar a combinação química das partículas de zinco altera a cor da luz. Os pesquisadores fizeram partículas verdes, laranja e azuis para os atuadores que construíram; cada atuador brilha uma cor sólida.
Eles também ajustaram o processo de fabricação para que os atuadores pudessem emitir luz multicolorida e padronizada. Os pesquisadores colocaram uma pequena máscara sobre a camada superior, adicionaram partículas de zinco e depois curaram o atuador. Eles repetiram esse processo três vezes com diferentes máscaras e partículas coloridas para criar um padrão de luz que soletrou M-I-T.
Seguindo os vaga-lumes
Depois de ajustar o processo de fabricação, eles testaram as propriedades mecânicas dos atuadores e usaram um medidor de luminescência para medir a intensidade da luz.
A partir daí, eles realizaram testes de voo usando um sistema de rastreamento de movimento especialmente projetado. Cada atuador eletroluminescente serviu como um marcador ativo que pode ser rastreado usando câmeras do iPhone. As câmeras detectam cada cor de luz, e um programa de computador desenvolvido por eles rastreia a posição e a atitude dos robôs até 2 milímetros de sistemas de captura de movimento infravermelho de última geração.
“Estamos muito orgulhosos de quão bom é o resultado do rastreamento, comparado ao estado da arte. Estávamos usando hardware barato, em comparação com as dezenas de milhares de dólares que esses grandes sistemas de rastreamento de movimento custam, e os resultados do rastreamento foram muito próximos”, diz Kevin Chen.
No futuro, eles planejam aprimorar esse sistema de rastreamento de movimento para que ele possa rastrear robôs em tempo real. A equipe está trabalhando para incorporar sinais de controle para que os robôs possam ligar e desligar suas luzes durante o voo e se comunicar mais como vaga-lumes reais. Eles também estão estudando como a eletroluminescência pode até melhorar algumas propriedades desses músculos artificiais macios, diz Kevin Chen.
“Este trabalho é realmente interessante porque minimiza a sobrecarga (peso e potência) para geração de luz sem comprometer o desempenho do voo”, diz Kaushik Jayaram, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Colorado em Boulder, que não esteve envolvido com essa pesquisa. “A geração de flash sincronizado de batida de asa demonstrada neste trabalho facilitará o rastreamento de movimento e o controle de voo de vários microrrobôs em ambientes com pouca luz, tanto em ambientes internos quanto externos.”
“Embora a produção de luz, a reminiscência de vaga-lumes biológicos e o uso potencial de comunicação apresentados neste trabalho sejam extremamente interessantes, acredito que o verdadeiro impulso é que este último desenvolvimento pode se tornar um marco para a demonstração desses robôs fora condições controladas de laboratório”, acrescenta Pakpong Chirarattananon, professor associado do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade da Cidade de Hong Kong, que também não esteve envolvido neste trabalho. “Os atuadores iluminados atuam potencialmente como marcadores ativos para câmeras externas para fornecer feedback em tempo real para estabilização de voo para substituir o atual sistema de captura de movimento. A eletroluminescência permitiria o uso de equipamentos menos sofisticados e o rastreamento dos robôs à distância, talvez por meio de outro robô móvel maior, para implantação no mundo real. Isso seria um avanço notável. Eu ficaria emocionado em ver o que os autores realizarão em seguida.”
Este trabalho foi apoiado pelo Laboratório de Pesquisa em Eletrônica do MIT.
Publicado em 23/06/2022 09h24
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