Robotlopper springer i gang

Der er udviklet en autonom robotloppe, der er i stand til at hoppe næsten 30 gange dens højde, takket være det, der uden tvivl er verdens mindste elastik.

Hiv: Små mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) motorer strækker et lille ni mikron tykt, to millimeter langt gummibånd for at tillade en mikrobot at katapultere sig selv gennem luften som en loppe.

Sværme af sådanne robotter kan i sidste ende bruges til at skabe netværk af distribuerede sensorer til at detektere kemikalier eller til militærovervågningsformål, siger Sarah Bergbreiter , en elektrisk ingeniør ved University of California, Berkeley, som udviklede robotterne.

Ideen er, at strække et silikonegummibånd på kun ni mikrometer tykt kan gøre det muligt for disse mikrorobotiske enheder at bevæge sig ved at slynge sig selv op i luften. Tidlige test viser, at de solcelledrevne bots kan lagre nok energi til at få en 7-millimeter robot til at hoppe 200 millimeter højt.

Dette loppelignende ballistiske spring ville gøre det muligt for disse sensorer at være mobile, dække relativt store afstande og overvinde forhindringer, som normalt ville være et stort problem for mikrometerstore bots, siger Bergbreiter.

Sådanne sensorer kan spredes fra et fly, men lander muligvis ikke i de mest ideelle positioner, så at gøre dem mobile kan tillade dem at blive omplaceret, om end lidt tilfældigt. Distribuerede sensorer giver dig generelt det store billede, siger Bergbreiter. Dette skyldes, at de kan give en mere detaljeret opløsning over et større område sammenlignet med mere traditionelle ikke-distribuerede tilgange til sansning.

Med miniaturerobotter er hop en god mulighed, hvis du forsøger at bevæge dig over ujævnt terræn, siger Metin Sitti , en assisterende professor ved nanorobotiklaboratoriet ved Robotics Institute ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh. I den størrelse er det kritiske spørgsmål strøm, så det er et godt valg at lagre energi, siger han.

De imponerende springevner hos insekter som lopper kommer fra deres evne til at lagre energi i et elastomert protein kaldet resilin. Dette giver dem mulighed for at lagre en stor mængde energi og derefter frigive den meget pludseligt som bevægelse. Men mens insekter lagrer energien ved at komprimere en elastomer, valgte Bergbreiter et system, der strækker en.

Arbejder med Kris Pister som en del af Berkeley Smart Dust Project , som blev oprettet for at bygge distribuerede sensornetværk, der kan kommunikere over lange afstande ved hjælp af mesh-netværk, havde Bergbreiter til formål at give denne slags sensorer nyttig mobilitet. Hun skabte en lille solcelle-array til at drive enheden, en mikrocontroller til at styre dens adfærd og en række mikroelektromekaniske systemer (MEMS) motorer på et siliciumsubstrat. De sidste blev brugt som en del af en skraldemekanisme kaldet inchworm-motorer, som trækker to kroge fra hinanden som et middel til at strække gummibåndet.

Bergbreiter har i samarbejde med Smart Dust Project skabt gummibåndet ved at skære en cirkulær strimmel, der kun måler ni mikrometer tyk og to millimeter lang, ud af et tyndt ark silikone ved hjælp af en meget fin infrarød laser. Den blev derefter hægtet på robottens strækmekanisme ved hjælp af intet andet end en ultrapræcisionspincet, et stereoskopisk mikroskop og en stabil hånd. Det var lidt som at spille børnespillet Operation, bare sværere, siger Bergbreiter.

For at teste robotprototypen tilsluttede Bergbreiter den, så i stedet for at botten rent faktisk hoppede, blev dens ben placeret til at sparke en genstand. Dette gjorde det muligt for hende at beregne den energi, der frigives. Hidtil har Bergbreiter kun prøvet at strække gummibåndet delvist, hvilket ville opnå et spring på omkring 12 millimeter for 10 milligram robotten. Men hun siger, at baseret på resultaterne af denne test, ville en fuld strækning være i stand til at producere hop så høje som 200 millimeter, og de ville dække omtrent dobbelt så meget jord vandret. Resultaterne vil blive præsenteret i næste uge på den internationale konference om robotteknologi og automatisering i Rom, Italien.

Den nuværende syv millimeter lange prototype er stadig meget større end en loppe. Men Bergbreiter er opsat på at skrumpe robotten ned til omkring en millimeter eller loppestørrelse. Desuden mangler hun stadig at tilføje den lille solcelle, der er blevet fremstillet separat. Næste skridt er at sætte det hele sammen, siger hun.

En af fordelene ved at lave robotter på insektskalaen er, at det er muligt at generere meget høje starthastigheder. Det er derfor, insekter kan opnå så relativt store spring. Efterhånden som et objekts volumen reduceres, formindskes dets masse med en meget større hastighed, hvilket igen giver mulighed for store accelerationer.

Der er dog en afvejning. Træk øges, efterhånden som du bliver mindre, siger Bergbreiter. Så tricket er at sikre, at robotternes størrelse giver tilstrækkelige fordele med hensyn til acceleration til at opveje omkostningerne ved ethvert yderligere træk.

Men at generere denne bevægelse kræver stadig mere energi, end robotten er i stand til at fjerne fra sit miljø gennem sine solceller. Dette er ofte tilfældet med autonome robotter, hvorfor det er nødvendigt at lagre energien, siger Chris Melhuish , professor i robotteknologi og direktør for Bristol Robotics Laboratory ved University of Bristol og University of the West of England, U.K.

Det er sandsynligt, at den eneste anden måde at tilbagelægge så relativt store afstande på er gennem flyvning. Men at flyve tilføjer et helt nyt sæt udfordringer, siger Bergbreiter. Det kræver meget kraftige motorer at klappe vinger eller drive en propel, og givet den effekt, som vinden kan have på så små genstande, er der store kontrolproblemer. Hopping ville på den anden side gøre det muligt for robotter at bevæge sig meget større afstande uden store strømkrav.

skjule