Robotyczne pchły ruszają do akcji

Opracowano autonomiczną pchłę robota, która jest w stanie skakać prawie 30-krotnie, dzięki prawdopodobnie najmniejszej gumce na świecie.

Falowanie: Maleńkie mikrosilniki systemów elektromechanicznych (MEMS) rozciągają maleńką, grubą na dziewięć mikronów i długości dwóch milimetrów gumkę, aby umożliwić mikrorobotowi katapultowanie się w powietrzu jak pchła.

Roje takich robotów mogłyby ostatecznie zostać wykorzystane do stworzenia sieci rozproszonych czujników do wykrywania chemikaliów lub do celów wojskowego nadzoru, mówi Sarah Bergbreiter , inżynier elektryk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który opracował roboty.

Chodzi o to, że rozciągnięcie gumki silikonowej o grubości zaledwie dziewięciu mikronów może umożliwić tym mikrorobotycznym urządzeniom poruszanie się poprzez katapultowanie się w powietrze. Wczesne testy pokazują, że boty zasilane energią słoneczną mogą zgromadzić wystarczającą ilość energii, aby 7-milimetrowy robot skoczył na 200 milimetrów.

Te pchłe skoki balistyczne umożliwiłyby tym czujnikom mobilność, pokonywanie stosunkowo dużych odległości i pokonywanie przeszkód, które normalnie byłyby głównym problemem dla robotów o rozmiarach mikrometrów, mówi Bergbreiter.

Takie czujniki mogą być rozproszone z samolotu, ale mogą nie wylądować w najbardziej idealnych pozycjach, więc uczynienie ich ruchomymi może pozwolić na ich zmianę położenia, nawet jeśli jest to nieco przypadkowe. Ogólnie rzecz biorąc, czujniki rozproszone dają szeroki obraz, mówi Bergbreiter. Dzieje się tak, ponieważ mogą zapewnić bardziej szczegółową rozdzielczość na większym obszarze w porównaniu z bardziej tradycyjnymi, nierozproszonymi podejściami do wykrywania.

W przypadku miniaturowych robotów skakanie jest dobrą opcją, jeśli próbujesz poruszać się po nierównym terenie, mówi Metin Sitti , adiunkt w laboratorium nanorobotyki w Instytucie Robotyki na Uniwersytecie Carnegie Mellon w Pittsburghu. Przy tym rozmiarze kluczową kwestią jest moc, więc jest to dobry wybór do przechowywania energii, mówi.

Imponujące umiejętności skakania owadów, takich jak pchły, wynikają z ich zdolności do przechowywania energii w elastomerowym białku zwanym rezyliną. To pozwala im przechowywać dużą ilość energii, a następnie uwalniać ją bardzo nagle jako ruch. Ale podczas gdy owady gromadzą energię poprzez ściskanie elastomeru, Bergbreiter wybrał system, który go rozciąga.

Praca z Kris Pister jako część Projekt Berkeley Smart Dust , który został utworzony w celu budowy sieci z czujnikami rozproszonymi, które mogą komunikować się na duże odległości za pomocą sieci kratowych, Bergbreiter dążył do zapewnienia tego rodzaju czujnikom użytecznej mobilności. Stworzyła maleńką matrycę ogniw słonecznych do zasilania urządzenia, mikrokontroler do zarządzania jego zachowaniem oraz serię silników mikroelektromechanicznych (MEMS) na krzemowym podłożu. Te ostatnie były używane jako część mechanizmu zapadkowego zwanego silnikami ślimakowymi, które rozsuwają dwa haczyki, aby naciągnąć gumkę.

Bergbreiter, we współpracy z Smart Dust Project, stworzył gumową opaskę, wycinając okrągły pasek o grubości zaledwie dziewięciu mikronów i długości dwóch milimetrów z cienkiej warstwy silikonu za pomocą bardzo cienkiego lasera na podczerwień. Następnie przyczepiono go do mechanizmu rozciągającego robota, używając jedynie pary ultraprecyzyjnej pęsety, mikroskopu stereoskopowego i pewnej ręki. To było trochę jak granie w dziecięcą grę Operation, tylko trudniejszą, mówi Bergbreiter.

Aby przetestować prototyp robota, Bergbreiter podłączył go tak, że zamiast skakać robot, jego noga była ustawiona tak, by kopać obiekt. To pozwoliło jej obliczyć uwalnianą energię. Do tej pory Bergbreiter próbował tylko częściowo naciągnąć gumkę, co osiągnęłoby skok około 12 milimetrów dla 10-miligramowego robota. Mówi jednak, że w oparciu o wyniki tego testu, pełny odcinek byłby w stanie wytworzyć skoki na wysokość nawet 200 milimetrów i pokryłby mniej więcej dwa razy więcej terenu w poziomie. Wyniki zostaną zaprezentowane w przyszłym tygodniu na Międzynarodowej Konferencji Robotyki i Automatyki w Rzymie we Włoszech.

Obecny prototyp o długości siedmiu milimetrów jest wciąż znacznie większy niż pchła. Ale Bergbreiter chce zmniejszyć robota do około jednego milimetra, czyli rozmiaru pcheł. Ponadto nadal musi dodać maleńkie ogniwo fotowoltaiczne, które zostało wyprodukowane osobno. Następnym krokiem jest zebranie wszystkiego razem, mówi.

Jedną z korzyści tworzenia robotów na skalę owadów jest możliwość generowania bardzo dużych prędkości startowych. To dlatego owady mogą osiągać tak stosunkowo duże skoki. W miarę zmniejszania się objętości obiektu jego masa maleje w znacznie szybszym tempie, co z kolei pozwala na duże przyspieszenia.

Istnieje jednak kompromis. Opór zwiększa się, gdy stajesz się mniejszy, mówi Bergbreiter. Sztuką jest więc upewnienie się, że rozmiar botów zapewnia wystarczające korzyści pod względem przyspieszenia, aby przewyższyć koszt dodatkowego oporu.

Jednak generowanie tego ruchu nadal wymaga więcej energii niż robot jest w stanie wygrzebać z otoczenia za pomocą ogniw słonecznych. Często dzieje się tak w przypadku robotów autonomicznych, dlatego magazynowanie energii jest konieczne, mówi Chris Melhuish , profesor robotyki i dyrektor Bristol Robotics Laboratory na Uniwersytecie w Bristolu oraz Uniwersytecie Zachodniej Anglii w Wielkiej Brytanii.

Prawdopodobnie jedynym sposobem na pokonanie tak dużych odległości jest lot. Ale latanie to zupełnie nowy zestaw wyzwań, mówi Bergbreiter. Wymaga bardzo dużej mocy silników do trzepotania skrzydłami lub napędzania śmigła, a biorąc pod uwagę wpływ wiatru na tak małe obiekty, istnieją poważne problemy ze sterowaniem. Z drugiej strony skakanie pozwoliłoby robotom na przemieszczanie się na znacznie większe odległości bez dużego zapotrzebowania na moc.

ukryć