تحلق حشرات البرق الآلية الصغيرة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
مستوحاة من اليراعات، ابتكر العلماء روبوتات بحجم الحشرات يمكنها إصدار الضوء عند الطيران، مما يتيح تتبع الحركة والتواصل.
تستخدم حشرات البرق التي تضيء الساحات الخلفية المظلمة في أمسيات الصيف الدافئة لمعانها للتواصل – لجذب رفيقة أو لدرء الحيوانات المفترسة أو إغراء الفريسة.
أثارت هذه اليراعات اللامعة أيضًا إلهام الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
مستوحين من الطبيعة، قاموا ببناء عضلات اصطناعية ناعمة مضيئة كهربائياً للروبوتات الطائرة على نطاق الحشرات. تصدر العضلات الاصطناعية الصغيرة التي تتحكم في أجنحة الروبوتات ضوءًا ملونًا أثناء الطيران.
يمكن أن يمكّن هذا التلألؤ الكهربائي الروبوتات من التواصل مع بعضها البعض.
على سبيل المثال، إذا تم إرساله في مهمة بحث وإنقاذ إلى مبنى منهار، يمكن للروبوت الذي يعثر على الناجين استخدام الأضواء للإشارة إلى الآخرين وطلب المساعدة.
كما أن القدرة على إصدار الضوء تجعل هذه الروبوتات الصغيرة الحجم، التي بالكاد تزن أكثر من مشبك ورق، تقترب خطوة واحدة من الطيران بمفردها خارج المختبر.
تتميز هذه الروبوتات بخفة وزنها بحيث لا يمكنها حمل أجهزة الاستشعار، لذلك يجب على الباحثين تعقبها باستخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء الضخمة التي لا تعمل بشكل جيد في الهواء الطلق.
الآن، أظهروا أنه يمكنهم تتبع الروبوتات الطائرة بدقة باستخدام الضوء الذي ينبعث منه وثلاث كاميرات للهواتف الذكية فقط.
تضيء هذه العضلات الاصطناعية، التي تتحكم في أجنحة الروبوتات الطائرة بوزن الريشة، أثناء طيران الروبوت، مما يوفر طريقة منخفضة التكلفة لتتبع الروبوتات ويمكنها أيضًا من التواصل. الائتمان: بإذن من الباحثين
“إذا كنت تفكر في الروبوتات واسعة النطاق، فيمكنها التواصل باستخدام الكثير من الأدوات المختلفة – بلوتوث، لاسلكي، كل هذه الأنواع من الأشياء.
لكن بالنسبة إلى إنسان آلي صغير مقيَّد بالطاقة، فنحن مضطرون إلى التفكير في طرق اتصال جديدة.
هذه خطوة كبيرة نحو تحليق هذه الروبوتات في البيئات الخارجية حيث لا يوجد لدينا نظام تتبع حركة متطور ومُحدد جيدًا “، كما يقول كيفن تشين، مساعد دي.
ريد ويدون جونيور. أستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر (EECS)، ورئيس مختبر الروبوتات اللينة والصغيرة في مختبر أبحاث الإلكترونيات (RLE)، وكبير مؤلفي البحث.
وقد حقق هو وزملاؤه ذلك من خلال دمج جزيئات صغيرة جدًا في الضيائية الكهربائية في العضلات الاصطناعية. تضيف هذه العملية وزنًا إضافيًا بنسبة 2.5 بالمائة فقط دون التأثير على أداء طيران الروبوت.
نُشر البحث مؤخرًا في IEEE Robotics and Automation Letters. ينضم إلى تشين في الورقة طلاب الدراسات العليا سوهان كيم، المؤلف الرئيسي، ويي هسوان هسياو ؛ Yu Fan Chen SM ’14، PhD ’17؛ وجي ماو، أستاذ مشارك في جامعة نينغشيا.
مشغل ضوئي
في السابق، أظهر هؤلاء العلماء تقنية تصنيع جديدة لبناء محركات نناعمة،أو عضلات ااصطناعية،ترفرف بأجنحة الروبوت.
يتم تصنيع هذه المحركات المتينة عن طريق تبديل طبقات رقيقة للغاية من المطاط الصناعي وأقطاب الأنابيب النانوية الكربونية في كومة ثم لفها في أسطوانة اسفنجية.
عندما يتم تطبيق جهد على تلك الأالأسطوانة،غط الأقطاب الكهربائية على المطاط الصناعي، وينفجر الإجهاد الميكانيكي على الجناح.
لتصنيع مشغل متوهج، قام الباحثون بدمج جزيئات كبريتات الزنك المتوهجة كهربائيا في المطاط الصناعي ولكن كان عليهم التغلب على العديد من التحديات على طول الطريق.
أولاً، كان على الفريق إنشاء قطب كهربائي لا يحجب الضوء. قاموا ببنائه باستخدام أنابيب نانوية كربونية عالية الشفافية، لا يتجاوز سمكها بضع نانومترات وتمكن الضوء من المرور عبرها.
ومع ذلك، فإن جزيئات الزنك تضيء فقط في وجود مجال كهربائي قوي وعالي التردد. يثير هذا المجال الكهربائي الإلكترونات في جزيئات الزنك، والتي تبعث بعد ذلك جسيمات دون ذرية من الضوء تُعرف بالفوتونات.
يستخدم العلماء الجهد العالي لإنشاء مجال كهربائي قوي في المشغل الناعم، ثم يقودون الروبوت بتردد عالٍ، مما يتيح للجسيمات أن تضيء بشكل ساطع.
“تقليديًا، تكون المواد المتوهجة بالكهرباء مكلفة للغاية من حيث الطاقة، ولكن بمعنى ما، نحصل على هذا التألق الكهربي مجانًا لأننا فقط نستخدم المجال الكهربائي بالتردد الذي نحتاجه للطيران.
لا نحتاج إلى تشغيل جديد أو أسلاك جديدة أو أي شيء. يقول كيفن تشين: “إن تسليط الضوء لا يتطلب سوى حوالي 3 في المائة من الطاقة أكثر”.
أثناء تصميم النموذج الأولي للمشغل، اكتشفوا أن إضافة جزيئات الزنك تقلل من جودته، مما يجعله يتحلل بسهولة أكبر. للتحايل على هذه المشكلة، قام كيم بخلط جزيئات الزنك في الطبقة العليا من المطاط الصناعي فقط.
لقد جعل تلك الطبقة أكثر سمكًا ببضعة ميكرومترات لاستيعاب أي انخفاض في طاقة الخرج.
في حين أن هذا جعل المشغل أثقل بنسبة 2.5 في المائة، فإنه ينبعث الضوء دون التأثير على أداء الطيران.
“نولي اهتمامًا كبيرًا بالحفاظ على جودة طبقات المطاط الصناعي بين الأقطاب الكهربائية. كانت إضافة هذه الجسيمات أشبه بإضافة الغبار إلى طبقة المطاط الصناعي.
لقد تطلب الأمر العديد من الأساليب المختلفة والكثير من الاختبارات، لكننا توصلنا إلى طريقة لضمان جودة المشغل “، كما يقول كيم.
يؤدي ضبط التركيبة الكيميائية لجزيئات الزنك إلى تغيير لون الضوء. صنع فريق البحث جسيمات خضراء وبرتقالية وزرقاء للمشغلات التي قاموا ببنائها. يضيء كل مشغل بلون واحد خالص.
قاموا أيضًا بتعديل عملية التصنيع حتى تتمكن المشغلات من إصدار ضوء متعدد الألوان ومنقوش. وضع الباحثون قناعًا صغيرًا فوق الطبقة العليا، وأضافوا جزيئات الزنك، ثم عالجوا المشغل.
كرروا هذه العملية ثلاث مرات باستخدام أقنعة مختلفة وجزيئات ملونة لإنشاء نمط ضوئي يتهجى MIT.
بعد اليراعات
بمجرد الانتهاء من عملية التصنيع، قاموا باختبار الخواص الميكانيكية للمشغلات واستخدموا مقياس التألق لقياس شدة الضوء.
من هناك، أجروا اختبارات طيران باستخدام نظام تتبع للحركة مصمم خصيصًا. كان كل مشغل مضيء كهربائيًا بمثابة علامة نشطة يمكن تتبعها باستخدام كاميرات iPhone.
تكتشف الكاميرات كل لون فاتح، ويتعقب برنامج الكمبيوتر الذي طوروه موقع وموقف الروبوتات في حدود 2 مم من أحدث أنظمة التقاط الحركة بالأشعة تحت الحمراء.
“نحن فخورون جدًا بمدى جودة نتائج التتبع مقارنةً بأحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا. كنا نستخدم أجهزة رخيصة، مقارنة بعشرات الآلاف من الدولارات التي تكلفها أنظمة تتبع الحركة الضخمة هذه، وكانت نتائج التتبع قريبة جدًا، “كما يقول كيفن تشين.
في المستقبل، يخططون لتعزيز نظام تتبع الحركة هذا حتى يتمكن من تتبع الروبوتات في الوقت الفعلي.
تعمل المجموعة على دمج إشارات التحكم حتى تتمكن الروبوتات من تشغيل وإطفاء الضوء أثناء الطيران والتواصل مثل اليراعات الحقيقية.
يقول كيفن تشين إنهم يدرسون أيضًا كيف يمكن للضوء الكهربائي أن يحسن بعض خصائص هذه العضلات الاصطناعية اللينة.
يقول كوشيك جايارام ، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة كولورادو في بولدر ، والذي لم يشارك في هذا البحث.
“إن جيل الفلاش المتزامن لنبضات الجناح الذي تم توضيحه في هذا العمل سيجعل من السهل تتبع الحركة والتحكم في طيران الروبوتات الصغيرة المتعددة في بيئات الإضاءة المنخفضة سواء في الداخل أو في الخارج.”
“في حين أن إنتاج الضوء، وذكريات اليراعات البيولوجية، والاستخدام المحتمل للتواصل المقدم في هذا العمل أمر مثير للاهتمام للغاية، أعتقد أن الزخم الحقيقي هو أن هذا التطور الأخير يمكن أن يكون علامة فارقة نحو عرض هذه الروبوتات في الخارج ظروف المختبر الخاضعة للرقابة “، يضيف باكبونج تشيراراتانون ، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة مدينة هونج كونج، والذي لم يشارك أيضًا في هذا العمل.
“من المحتمل أن تعمل المحركات المضيئة كعلامات نشطة للكاميرات الخارجية لتوفير ردود فعل في الوقت الفعلي من أجل استقرار الرحلة لتحل محل نظام التقاط الحركة الحالي.
سيسمح اللمعان الكهربائي باستخدام معدات أقل تعقيدًا وتتبع الروبوتات من مسافة بعيدة، ربما عن طريق روبوت متحرك آخر أكبر، للنشر في العالم الحقيقي.
سيكون ذلك اختراقًا رائعًا. سأكون سعيدا لرؤية ما سينجزه المؤلفون بعد ذلك “.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
