I fulmini robotici prendono il volo

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Le lucciole che illuminano i cortili bui nelle calde serate estive usano la loro luminescenza per comunicare: per attirare un compagno, allontanare i predatori o attirare la preda.

Questi insetti luccicanti hanno anche suscitato l’ispirazione degli scienziati del MIT. Prendendo spunto dalla natura, hanno costruito muscoli artificiali morbidi elettroluminescenti per robot volanti a misura di insetto. I minuscoli muscoli artificiali che controllano le ali dei robot emettono luce colorata durante il volo.

Questa elettroluminescenza potrebbe consentire ai robot di comunicare tra loro. Se inviato in una missione di ricerca e salvataggio in un edificio crollato, ad esempio, un robot che trova i sopravvissuti potrebbe utilizzare le luci per segnalare agli altri e chiedere aiuto.

La capacità di emettere luce avvicina inoltre questi robot su microscala, che pesano poco più di una graffetta, a volare da soli fuori dal laboratorio. Questi robot sono così leggeri che non possono trasportare sensori, quindi i ricercatori devono monitorarli utilizzando ingombranti telecamere a infrarossi che non funzionano bene all'aperto. Ora hanno dimostrato di poter tracciare i robot con precisione utilizzando la luce che emettono e solo tre fotocamere dello smartphone.

“Se pensi ai robot su larga scala, possono comunicare utilizzando molti strumenti diversi: Bluetooth, wireless, tutto questo genere di cose. Ma per un robot minuscolo e con limiti di potenza siamo costretti a pensare a nuove modalità di comunicazione. Questo è un passo importante verso il volo di questi robot in ambienti esterni dove non disponiamo di un sistema di tracciamento del movimento ben calibrato e all'avanguardia", afferma Kevin Chen, assistente di D. Reid Weedon, Jr. Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS), capo del Laboratorio di Soft e Micro Robotica presso il Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE) e autore senior dell'articolo.

Lui e i suoi collaboratori sono riusciti a raggiungere questo obiettivo incorporando minuscole particelle elettroluminescenti nei muscoli artificiali. Il processo aggiunge solo il 2,5% in più di peso senza influire sulle prestazioni di volo del robot.

Insieme a Chen nell'articolo ci sono gli studenti laureati dell'EECS Suhan Kim, l'autore principale, e Yi-Hsuan Hsiao; Yu Fan Chen SM '14, dottorato di ricerca '17; e Jie Mao, professore associato presso l'Università di Ningxia. La ricerca è stata pubblicata questo mese su IEEE Robotics and Automation Letters.

Un attuatore di illuminazione

Questi ricercatori avevano precedentemente dimostrato una nuova tecnica di fabbricazione per costruire attuatori morbidi, o muscoli artificiali, che sbattono le ali del robot. Questi attuatori durevoli sono realizzati alternando strati ultrasottili di elastomero ed elettrodi di nanotubi di carbonio in una pila e quindi arrotolandoli in un cilindro morbido. Quando viene applicata una tensione a quel cilindro, gli elettrodi comprimono l'elastomero e la sollecitazione meccanica fa sbattere l'ala.

Per fabbricare un attuatore luminoso, il team ha incorporato particelle elettroluminescenti di solfato di zinco nell'elastomero, ma ha dovuto superare diverse sfide lungo il percorso.

Innanzitutto, i ricercatori hanno dovuto creare un elettrodo che non bloccasse la luce. Lo hanno costruito utilizzando nanotubi di carbonio altamente trasparenti, che hanno uno spessore di solo pochi nanometri e consentono il passaggio della luce.

Tuttavia, le particelle di zinco si illuminano solo in presenza di un campo elettrico molto forte e ad alta frequenza. Questo campo elettrico eccita gli elettroni nelle particelle di zinco, che poi emettono particelle subatomiche di luce note come fotoni. I ricercatori utilizzano l’alta tensione per creare un forte campo elettrico nell’attuatore morbido, quindi guidano il robot ad alta frequenza, che consente alle particelle di illuminarsi intensamente.