Las luciérnagas que iluminan los patios traseros oscuros en las cálidas noches de verano usan su luminiscencia para la comunicación, para atraer a un compañero, alejar a los depredadores o atraer presas.

Estos insectos brillantes también provocaron la inspiración de los científicos del MIT. Siguiendo el ejemplo de la naturaleza, construyeron músculos artificiales blandos electroluminiscentes para robots voladores a escala de insectos. Los diminutos músculos artificiales que controlan las alas de los robots emiten luz de color durante el vuelo.

Esta electroluminiscencia podría permitir que los robots se comuniquen entre sí. Si se envía en una misión de búsqueda y rescate a un edificio derrumbado, por ejemplo, un robot que encuentra sobrevivientes podría usar luces para señalar a otros y pedir ayuda.

La capacidad de emitir luz también lleva a estos robots a microescala, que pesan poco más que un clip, un paso más cerca de volar solos fuera del laboratorio. Estos robots son tan ligeros que no pueden transportar sensores, por lo que los investigadores deben rastrearlos utilizando cámaras infrarrojas voluminosas que no funcionan bien al aire libre. Ahora, han demostrado que pueden rastrear a los robots con precisión utilizando la luz que emiten y solo tres cámaras de teléfonos inteligentes.

"Si piensas en robots a gran escala, pueden comunicarse utilizando muchas herramientas diferentes: Bluetooth, inalámbrico, todo ese tipo de cosas. Pero para un robot pequeño y con limitaciones de energía, nos vemos obligados a pensar en nuevos modos de comunicación. Este es un paso importante hacia el vuelo de estos robots en entornos al aire libre donde no tenemos un sistema de seguimiento de movimiento bien sintonizado y de última generación", dice Kevin Chen, quien es el Profesor Asistente D. Reid Weedon, Jr. en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), el jefe del Laboratorio de Robótica Blanda y Micro en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE), y el autor principal del artículo.

Él y sus colaboradores lograron esto incrustando minúsculas partículas electroluminiscentes en los músculos artificiales. El proceso agrega solo un 2,5 por ciento más de peso sin afectar el rendimiento de vuelo del robot.

Junto a Chen en el documento están los estudiantes graduados de EECS Suhan Kim, el autor principal, y Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM ´14, PhD ´17; y Jie Mao, profesor asociado de la Universidad de Ningxia. La investigación fue publicada este mes en IEEE Robotics and Automation Letters.

Un actuador iluminador

Estos investigadores demostraron previamente una nueva técnica de fabricación para construir actuadores blandos, o músculos artificiales, que agitan las alas del robot. Estos actuadores duraderos se fabrican alternando capas ultrafinas de elastómero y electrodo de nanotubo de carbono en una pila y luego enrollándolo en un cilindro blando. Cuando se aplica un voltaje a ese cilindro, los electrodos aprietan el elastómero y la tensión mecánica aletea el ala.

Para fabricar un actuador brillante, el equipo incorporó partículas electroluminiscentes de sulfato de zinc en el elastómero, pero tuvo que superar varios desafíos en el camino.

Primero, los investigadores tuvieron que crear un electrodo que no bloqueara la luz. Lo construyeron utilizando nanotubos de carbono altamente transparentes, que tienen solo unos pocos nanómetros de grosor y permiten el paso de la luz.

Sin embargo, las partículas de zinc solo se iluminan en presencia de un campo eléctrico muy fuerte y de alta frecuencia. Este campo eléctrico excita los electrones en las partículas de zinc, que luego emiten partículas subatómicas de luz conocidas como fotones. Los investigadores utilizan alto voltaje para crear un fuerte campo eléctrico en el actuador blando, y luego impulsan el robot a una alta frecuencia, lo que permite que las partículas se iluminen intensamente.

"Tradicionalmente, los materiales electroluminiscentes son muy costosos energéticamente, pero en cierto sentido, obtenemos esa electroluminiscencia de forma gratuita porque solo usamos el campo eléctrico a la frecuencia que necesitamos para volar. No necesitamos nueva actuación, nuevos cables ni nada. Solo se necesita un 3 por ciento más de energía para brillar la luz", dice Kevin Chen.

A medida que prototiparon el actuador, descubrieron que agregar partículas de zinc reducía su calidad, lo que hacía que se descompusiera más fácilmente. Para evitar esto, Kim mezcló partículas de zinc solo en la capa superior de elastómero. Hizo que esa capa fuera unos pocos micrómetros más gruesa para acomodar cualquier reducción en la potencia de salida.

Si bien esto hizo que el actuador fuera un 2,5 por ciento más pesado, emitió luz sin afectar el rendimiento del vuelo.

"Ponemos mucho cuidado en mantener la calidad de las capas de elastómero entre los electrodos. Agregar estas partículas fue casi como agregar polvo a nuestra capa de elastómero. Se necesitaron muchos enfoques diferentes y muchas pruebas, pero se nos ocurrió una manera de garantizar la calidad del actuador", dice Kim.

Ajustar la combinación química de las partículas de zinc cambia el color de la luz. Los investigadores fabricaron partículas verdes, naranjas y azules para los actuadores que construyeron; cada actuador brilla un color sólido.

También ajustaron el proceso de fabricación para que los actuadores pudieran emitir luz multicolor y estampada. Los investigadores colocaron una pequeña máscara sobre la capa superior, agregaron partículas de zinc y luego curaron el actuador. Repitieron este proceso tres veces con diferentes máscaras y partículas de colores para crear un patrón de luz que deletreaba M-I-T.

Siguiendo a las luciérnagas

Una vez que afinaron el proceso de fabricación, probaron las propiedades mecánicas de los actuadores y utilizaron un medidor de luminiscencia para medir la intensidad de la luz.

A partir de ahí, realizaron pruebas de vuelo utilizando un sistema de seguimiento de movimiento especialmente diseñado. Cada actuador electroluminiscente servía como un marcador activo que podía rastrearse utilizando cámaras de iPhone. Las cámaras detectan cada color de luz, y un programa informático que desarrollaron rastrea la posición y la actitud de los robots a menos de 2 milímetros de los sistemas de captura de movimiento infrarrojo de última generación.

"Estamos muy orgullosos de lo bueno que es el resultado de seguimiento, en comparación con el estado de la técnica. Estábamos usando hardware barato, en comparación con las decenas de miles de dólares que cuestan estos grandes sistemas de seguimiento de movimiento, y los resultados de seguimiento fueron muy cercanos", dice Kevin Chen.

En el futuro, planean mejorar ese sistema de seguimiento de movimiento para que pueda rastrear robots en tiempo real. El equipo está trabajando para incorporar señales de control para que los robots puedan encender y apagar su luz durante el vuelo y comunicarse más como luciérnagas reales. También están estudiando cómo la electroluminiscencia podría incluso mejorar algunas propiedades de estos músculos artificiales blandos, dice Kevin Chen.

"Este trabajo es realmente interesante porque minimiza la sobrecarga (peso y potencia) para la generación de luz sin comprometer el rendimiento del vuelo", dice Kaushik Jayaram, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Colorado en Boulder, que no participó en esta investigación. "La generación de flash sincronizado wingbeat demostrada en este trabajo facilitará el seguimiento de movimiento y el control de vuelo de múltiples microrobots en entornos con poca luz tanto en interiores como en exteriores".

"Si bien la producción de luz, la reminiscencia de las luciérnagas biológicas y el uso potencial de la comunicación presentado en este trabajo son extremadamente interesantes, creo que el verdadero impulso es que este último desarrollo podría convertirse en un hito hacia la demostración de estos robots fuera de las condiciones de laboratorio controladas", agrega Pakpong Chirarattananon, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong. que tampoco estuvo involucrado en este trabajo. "Los actuadores iluminados actúan potencialmente como marcadores activos para cámaras externas para proporcionar retroalimentación en tiempo real para la estabilización de vuelo para reemplazar el sistema de captura de movimiento actual. La electroluminiscencia permitiría utilizar equipos menos sofisticados y rastrear los robots desde la distancia, tal vez a través de otro robot móvil más grande, para su despliegue en el mundo real. Eso sería un avance notable. Estaría encantado de ver lo que los autores logran a continuación".

Este trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

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MIT

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