La producción de luz en luciérnagas naturales representa un método eficaz y único para su comunicación, permitiéndoles atraer parejas, alejar depredadores o capturar presas. Inspirados en la bioluminiscencia de estos insectos, científicos del MIT han desarrollado robots voladores a escala de insecto capaces de emitir luz de diferentes colores durante el vuelo, permitiendo a los robots comunicarse entre sí. 

Esta electroluminiscencia, introducida en los diminutos músculos artificiales que controlan las alas de los robots, emitirían luz durante el vuelo permitiendo a los robots comunicarse. Por ejemplo, si se envía a una misión de búsqueda y rescate en un edificio derrumbado, el robot que encuentre supervivientes podría utilizar las luces para señalar a los demás y pedir ayuda. El proceso sólo añade un 2,5 por ciento más de peso sin afectar al rendimiento de vuelo del robot.

La capacidad de emitir luz también sitúa a estos robots a microescala, que apenas pesan más que un clip, un paso más cerca de volar por sí mismos fuera del laboratorio. Estos robots son tan ligeros que no pueden llevar sensores, por lo que los investigadores deben seguirlos con voluminosas cámaras de infrarrojos que no funcionan bien en exteriores. Ahora han demostrado que pueden seguir a los robots con precisión utilizando la luz que emiten y sólo tres cámaras de smartphone.

“Si pensamos en robots a gran escala, estos pueden comunicarse utilizando un montón de herramientas diferentes, desde Bluetooth a otro tipo de comunicaciones inalámbricas. Pero en el caso de un robot diminuto y con limitaciones de potencia, nos vemos obligados a pensar en nuevos modos de comunicación. Este es un paso importante para hacer volar estos robots en entornos exteriores en los que no tenemos un sistema de seguimiento del movimiento bien afinado y de última generación”, explica Kevin Chen,  jefe del Laboratorio de Robótica Suave y Microrrobótica del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE), y autor senior del paper de la investigación, publicado recientemente en IEEE Robotics and Automation Letters.

Un actuador luminoso

El mismo grupo de investigación ya había sido capaz de desarrollar una nueva técnica de fabricación para construir actuadores blandos, o músculos artificiales, que agitan las alas del robots. Estos duraderos actuadores se fabrican alternando capas ultrafinas de elastómero y electrodos de nanotubos de carbono en una pila que luego se enrolla en un cilindro blando. Cuando se aplica un voltaje a ese cilindro, los electrodos aprietan el elastómero y la tensión mecánica agita el ala.

Ahora, para fabricar un actuador luminoso, el equipo incorporó partículas electroluminiscentes de sulfato de zinc al elastómero, pero tuvo que superar varios retos en el camino. En primer lugar, los investigadores tuvieron que crear un electrodo que no bloqueara la luz. Lo construyeron utilizando nanotubos de carbono altamente transparentes, que tienen sólo unos pocos nanómetros de grosor y permiten el paso de la luz.

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

“Tradicionalmente, los materiales electroluminiscentes son muy costosos desde el punto de vista energético, pero en cierto sentido, obtenemos esa electroluminiscencia gratis porque sólo utilizamos el campo eléctrico a la frecuencia que necesitamos para volar. No necesitamos un nuevo accionamiento, ni nuevos cables, ni nada. Sólo se necesita un 3% más de energía para emitir luz”, afirma Kevin Chen.

Al crear el prototipo del actuador, descubrieron que la adición de partículas de zinc reducía su calidad, haciendo que se rompiera más fácilmente. Para evitarlo, se mezclaron partículas de zinc sólo en la capa superior de elastómero. Hizo esa capa unos pocos micrómetros más gruesa para compensar la reducción de la potencia de salida. Aunque esto hizo que el actuador fuera un 2,5 por ciento más pesado, emitió luz sin afectar al rendimiento del vuelo.

“Pusimos mucho cuidado en mantener la calidad de las capas de elastómero entre los electrodos. Añadir estas partículas era casi como añadir polvo a nuestra capa de elastómero. Hicieron falta muchos enfoques diferentes y muchas pruebas, pero dimos con una forma de garantizar la calidad del actuador”, detalla Suhan Kim, estudiante de postgrado de EECS y autor principal del paper. 

El ajuste de 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 de un color sólido.

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

Siguiendo a las luciérnagas

Una vez afinado 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 con un sistema de seguimiento del movimiento especialmente diseñado. Cada actuador electroluminiscente servía de marcador activo que podía seguirse con las cámaras del iPhone. Las cámaras detectan cada color de luz y un programa informático que desarrollaron rastrea la posición y la actitud de los robots con una precisión de 2 milímetros respecto a los sistemas de captura de movimiento por infrarrojos más avanzados.

“Estamos muy orgullosos de lo bueno que es el resultado del seguimiento, comparado con el estado de la técnica. Utilizamos un hardware barato, comparado con las decenas de miles de dólares que cuestan estos grandes sistemas de seguimiento del movimiento, y los resultados del seguimiento fueron muy parecidos”, confirma Chen.

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

Fuente de imágenes: MIT