Robotloppor kommer igång

En autonom robotloppa har utvecklats som kan hoppa nästan 30 gånger sin höjd, tack vare vad som utan tvekan är världens minsta gummiband.

Hävning: Små motorer för mikroelektromekaniska system (MEMS) sträcker ett diminutivt nio mikron tjockt, två millimeter långt gummiband för att tillåta en mikrobot att katapultera sig själv genom luften som en loppa.

Svärmar av sådana robotar kan så småningom användas för att skapa nätverk av distribuerade sensorer för att upptäcka kemikalier eller för militär övervakning, säger Sarah Bergbreiter , en elektroingenjör vid University of California, Berkeley, som utvecklade robotarna.

Tanken är att sträckning av ett silikongummiband bara nio mikrometer tjockt kan göra det möjligt för dessa mikrorobotiska enheter att röra sig genom att slunga sig själva i luften. Tidiga tester visar att de soldrivna botarna kan lagra tillräckligt med energi för att få en 7-millimeters robot att hoppa 200 millimeter högt.

Detta loppliknande ballistiska hopp skulle göra det möjligt för dessa sensorer att vara mobila, täcka relativt stora avstånd och övervinna hinder som normalt skulle vara ett stort problem för mikrometerstora bots, säger Bergbreiter.

Sådana sensorer kan spridas från ett plan men kanske inte landa i de mest idealiska positionerna, så att göra dem mobila skulle kunna göra det möjligt för dem att flyttas om, om än något slumpmässigt. Distribuerade sensorer i allmänhet ger dig den stora bilden, säger Bergbreiter. Detta beror på att de kan ge en mer detaljerad upplösning över ett större område jämfört med mer traditionella icke-fördelade metoder för avkänning.

Med miniatyrrobotar är hoppning ett bra alternativ om du försöker förflytta dig över ojämn terräng, säger Metin Sitti , en biträdande professor vid nanorobotics lab vid Robotics Institute vid Carnegie Mellon University, i Pittsburgh. I den storleken är den kritiska frågan makt, så det är ett bra val att lagra energi, säger han.

De imponerande hoppfärdigheterna hos insekter som loppor kommer från deras förmåga att lagra energi i ett elastomert protein som kallas resilin. Detta gör att de kan lagra en stor mängd energi och sedan släppa den mycket plötsligt som rörelse. Men medan insekter lagrar energin genom att komprimera en elastomer, valde Bergbreiter ett system som sträcker en.

Arbetar med Kris Pister som en del av Berkeley Smart Dust Project , som skapades för att bygga distribuerade sensornätverk som kan kommunicera över långa avstånd med hjälp av mesh-nätverk, syftade Bergbreiter till att ge dessa typer av sensorer användbar mobilitet. Hon skapade en liten solcellsuppsättning för att driva enheten, en mikrokontroller för att styra dess beteende och en serie motorer för mikroelektromekaniska system (MEMS) på ett kiselsubstrat. De sista användes som en del av en spärrmekanism som kallas inchworm-motorer, som drar två krokar isär som ett sätt att sträcka gummibandet.

Bergbreiter, i samarbete med Smart Dust Project, skapade gummibandet genom att skära en cirkulär remsa som var bara nio mikrometer tjock och två millimeter lång ur ett tunt silikonark med en mycket fin infraröd laser. Den hakades sedan fast på robotens sträckmekanism med hjälp av inget annat än en ultraprecisionspincett, ett stereoskopiskt mikroskop och en stadig hand. Det här var lite som att spela barnspelet Operation, bara svårare, säger Bergbreiter.

För att testa robotprototypen kopplade Bergbreiter upp den så att istället för att boten faktiskt hoppade, placerades dess ben för att sparka ett föremål. Detta gjorde att hon kunde beräkna energin som frigörs. Hittills har Bergbreiter bara provat att sträcka gummibandet delvis, vilket skulle uppnå ett hopp på cirka 12 millimeter för 10-milligramsroboten. Men hon säger att baserat på resultaten av detta test skulle en hel sträcka kunna producera hopp så höga som 200 millimeter, och de skulle täcka ungefär dubbelt så mycket mark horisontellt. Resultaten kommer att presenteras nästa vecka vid den internationella konferensen om robotik och automation i Rom, Italien.

Den nuvarande sju millimeter långa prototypen är fortfarande mycket större än en loppa. Men Bergbreiter är mån om att krympa ner roboten till cirka en millimeter, eller loppstorlek. Dessutom behöver hon fortfarande lägga till den lilla solcellssolcellen som har tillverkats separat. Nästa steg är att få ihop det hela, säger hon.

En av fördelarna med att göra robotar på insektsskalan är att det är möjligt att generera mycket höga starthastigheter. Det är därför insekter kan uppnå så relativt stora hopp. När ett föremåls volym minskar, minskar dess massa i mycket högre hastighet, vilket i sin tur möjliggör stora accelerationer.

Det finns dock en avvägning. Draget ökar ju mindre man blir, säger Bergbreiter. Så tricket är att se till att botarnas storlek erbjuder tillräckligt med fördelar när det gäller acceleration för att uppväga kostnaden för eventuella ytterligare drag.

Men att generera denna rörelse kräver fortfarande mer energi än vad roboten klarar av att ta bort från sin miljö genom sina solceller. Detta är ofta fallet med autonoma robotar, varför det är nödvändigt att lagra energin, säger Chris Melhuish , professor i robotik och chef för Bristol Robotics Laboratory vid University of Bristol och University of West of England, U.K.

Det är troligt att det enda andra sättet att täcka så relativt stora avstånd är genom flygning. Men att flyga tillför en helt ny uppsättning utmaningar, säger Bergbreiter. Det krävs mycket kraftfulla motorer för att klappa vingar eller driva en propeller, och med tanke på den effekt som vinden kan ha på så små föremål finns det stora kontrollproblem. Hoppning, å andra sidan, skulle tillåta robotar att förflytta sig mycket större avstånd utan stora kraftbehov.

Dölj