Hvordan robotter bliver inspireret af insekter

Moderne samfund er afhængige af robotteknologi til at udføre en bred vifte af funktioner, der er afgørende for en smidig drift af industrielle produktionssystemer, såvel som til andre sektorer som byggeri, sundhedspleje og transport.

Imidlertid, en vigtig begrænsning for de fleste robotter er det faktum, at de kun er i stand til at udføre én gentagne opgave, såsom at plukke en genstand fra en skraldespand og placere den på et transportbånd eller bore huller i henhold til et forudindstillet mønster.

I erkendelse af denne begrænsning, forskere inden for det nye område af adaptiv robotteknologi fokuserer deres opmærksomhed på, hvordan robotter kan gøres mere tilpasningsdygtige - og ved hjælp af mekaniske ingeniørprincipper til at skabe banebrydende enheder, der er i stand til at omkonfigurere sig selv til at udføre en række forskellige funktioner. For eksempel, en multi-purpose drone, der bruges til at inspicere energiinfrastruktur som offshore olieplatforme eller vindmøller, kunne udstyres med gribeteknologi, der gør den i stand til at sidde på strukturer og udføre nærmere analyser i kraftig vind – såvel som vandtætningsevner og fremdriftsteknologi, der gør det muligt at udføre funderingsinspektioner under havoverfladen.

Så hvilke maskintekniske teknologier og teknikker bliver brugt som en del af dette arbejde? Hvad er de vigtigste aktuelle og potentielle anvendelser af adaptiv robotteknologi? Og hvilke innovationer og tendenser i brugen af ​​maskintekniske systemer til adaptive robotteknologier kan vi forvente i løbet af de næste par år?

Omkonfiguration

Et af de mest interessante nyere initiativer på dette område er på Colorado State University (CSU), hvor et team af forskere har skabt en række små, letvægtsrobotter, der er i stand til at omkonfigurere sig selv som svar på forskellige brugerkrav. Som projektleder Dr. Jianguo Zhao, assisterende professor i Adaptive Robotics Lab på CSU, forklarer, hans arbejde på dette område falder i tre hovedkategorier afhængigt af de anvendte aktiveringskræfter.

Den første er rekonfiguration med kunstige muskler, som involverer en undersøgelse af, hvordan man kan udnytte en billig kunstig muskel fremstillet af husholdningssytråde til at forme formen på en given robot. Dette har resulteret i oprettelsen af ​​et led, der kan bevæge sig og holde til en anden form uden yderligere energitilførsel.

Den anden kategori af arbejde undersøger, hvordan man kan udnytte materialer med variabel stivhed til at omkonfigurere funktionerne af en given robot - som en del af dette, Ph.D. elev Jiefeng Sun har bygget en adaptiv gårobot, der kan opnå flere benbaner.

Den tredje kategori undersøger, hvordan nye passive mekanismer kan bruges til at gøre det muligt for flyvende robotter at sidde på vægge, elledninger eller lofter – som en del af hvilke, Ph.D. studerende Haijie Zhang har udviklet en robot udstyret med en eftergivende og passiv griber.

For at muliggøre sådanne adaptive robotter, Zhao afslører, at han har taget en række banebrydende mekanikteknologier til sig, inklusive mekanisme og maskindesign, computer hjulpet design, additiv fremstilling (3-D print), kinematik og dynamik modellering, finite element analyse og mekatronik. Et eksempel er en miniature gårobot, som teamet har skabt ved hjælp af multimateriale 3-D print, en teknologi, der er i stand til at printe både bløde og stive materialer i en enkelt del.

"I denne robot, vi har brugt det bløde materiale til at fungere som eftergivende rotationsled og det stive materiale til at fungere som led. I dette tilfælde, vi kan printe kroppen og de fire ben til robotten som en enkelt del uden montering, " han siger.

"Desuden, for at analysere adfærden af ​​en sådan robot, vi etablerede de kinematiske og dynamiske modeller til at forudsige benbanerne og sammenlignede dem med de eksperimentelle resultater. Endelig, vi brugte et indlejret system med mikrocontrollere og trådløs kommunikation til at styre robotten."

Efter Zhaos opfattelse, Små robotter af denne type har mange fordele sammenlignet med større og tungere robotter. For eksempel, de er i stand til at få adgang til og navigere i smalle eller trange omgivelser, som store robotter ikke kan komme ind i. Ifølge ham, de kan også fremstilles til meget lavere omkostninger ved hjælp af additiv fremstilling.

På trods af disse klare fordele, Zhao indrømmer, at mindre robotter ofte finder det mere udfordrende at færdes i mange miljøer. For at løse dette, han siger, at det er bedre at udstyre dem med "flere bevægelsesmuligheder", såsom at gå, kravler, hoppe eller flyve, ved hjælp af en specialiseret mekanisme til hver funktion.

"Imidlertid, det er udfordrende at pakke flere specialiserede mekanismer med separate aktiveringer i en lille størrelse – og sansningen, beregning og kontrol er også mere krævende. I dette tilfælde, snarere end en specialiseret mekanisme for hver funktion, en ny løsning er at muliggøre adaptive robotter, der kan omkonfigurere sig selv som svar på et behov, " han siger.

Klik biller

Andre steder, et team af forskere ved University of Illinois udfører banebrydende forskning i klikbillers bevægelse i et forsøg på at inspirere mere adrætte og adaptive robotter. Som en del af dette arbejde, holdet har brugt synkrotronrøntgenstråler ved den avancerede protonkilde i Argonne National Laboratory til at undersøge insektets interne låsemekanisme eller hurtigudløsningsmekanisme og demonstreret, hvordan en kombination af hængselsmorfologi og mekanik muliggør en unik klikmekanisme.

Som Aimy Wissa, assisterende professor i mekanisk videnskab og ingeniørafdeling og leder af Bio-inspired Adaptive Morphology Lab ved University of Illinois Urbana-Champaign, forklarer, forskningen bygger på arbejdet med at udforske klikbillernes benløse selvoprettende hoppemekanisme. Som en del af denne øvelse, holdet har bygget prototyper af en hængsellignende fjederbelastet enhed, der bliver indbygget i en robot.

I stedet for at stole på deres ben, klikbiller hopper ved at bøje hele deres krop, mens de er i en omvendt position. I denne fase, kaldet 'kropsfleksion, "Insektet lagrer energi, før det frigiver den til et næsten lodret spring - en handling, der også hjælper billen til at rette sig selv, hvis den falder i en omvendt position. Ved at undersøge fysikken i væsnets spring, Illinois-teamet var i stand til at udvikle en autonom selvoprettende robot – især med fokus på skaleringslovene mellem billearterne og indflydelsen af ​​insektets masseforhold på dets spring.

"Vi indså hurtigt, at klikbiller tilhører en klasse af organismer, der bruger 'kraftforstærkede' bevægelsesstrategier - de bruger elastiske lagringselementer til at lagre energi og frigive den med en meget hurtigere hastighed, end muskler kan. Jeg blev interesseret i muligheden for at bruge sådanne aktiveringsstrategier til at designe små robotter, der er mere adrætte, kan komme sig efter fald, og er i stand til hurtige manøvrer, siger Wissa.

Ved at filme biller med højhastighedskameraer, Illinois-holdet opdagede, at deres spring kan opdeles i tre stadier:pre-jump-fasen, startfasen og den luftbårne fase. Som en del af pre-jump-fasen, insektet bøjer sin krop og fastholder positionen ved friktion, mens den lagrer energi. Mens de stadig er i kontakt med jorden, den begynder at frigive energi under startfasen ved at drive sit massecenter opad. Under den efterfølgende luftbårne fase, den slår saltomortaler op i luften - sporer en overordnet bane, der følger en ballistisk bevægelse, mens de separate kropsenheder roterer rundt om massens centrum. Brug af data fra live beetle-videoer, Wissa og hendes team har også udviklet to dynamiske modeller af startfasen og den luftbårne fase.

I startfasen, væsenet blev også modelleret som en skyder-crank-mekanisme, der aktiveres ved hængselpunktet - og Lagrangian-dynamik blev brugt som en del af en foreløbig to-massemodel til at simulere den roterende og translationelle bevægelse observeret af insektet, mens den var i luften.

"Disse bevægelsesstrategier er nyttige som inspiration til nye aktiveringsteknikker til applikationer som robotteknologi og landbrug, siger Wissa.

"Når robotter bliver allestedsnærværende i vores daglige liv, de vil være forpligtet til at blive mission adaptive. Den samme platform skal spille forskellige roller. For eksempel, den samme UAV [ubemandet luftfartøj, eller drone] vil være forpligtet til at bære nyttelast, undgå forhindringer, blive længere oppe, og udføre flere manøvrer. Derfor adaptive strukturer, eller strukturer, der kan tilpasse deres form og funktion til forskellige stimulanser, vil blive mere kritisk i løbet af de næste par år, " tilføjer hun.

Multifunktionelle robotter

Zhao forudsiger, at små adaptive robotter vil have mange lovende applikationer, lige fra "miljøovervågning og militær overvågning, at søge og redde i katastrofeområder." Han forventer også, at den lille størrelse muliggør lave omkostninger og økonomisk produktion, åbner muligheden for at implementere dem til specifikke nicheapplikationer og "automatisk danne mobile sensornetværk og arbejde sammen for at udføre givne opgaver."

Ikke desto mindre, Zhao understreger, at to hovedudfordringer skal overvindes for at muliggøre adaptive robotter. For det første, rekonfigurationsprocesser skal fremskyndes for at opnå, hvad han beskriver som "realtime rekonfiguration." Rekonfigurationsprocessen for CSU-robotterne tager typisk flere minutter at fuldføre, fordi teamet skal varme op og køle de komponenter, der bruges til omkonfigurationen. Dette er et problem, fordi i nogle applikationer, såsom morphing vinger til flyvende robotter, vingerne skal ændre deres form i realtid for at klare forskellige aerodynamiske situationer.

For det andet Zhao siger, at forskere "stadig mangler at etablere en grundlæggende og teoretisk ramme for adaptive robotter... hvis vi ønsker at opnå flere ønskede konfigurationer, hvordan skal vi designe robotten korrekt samt specificere rekonfigurationsstrategien? Der er ikke noget klart svar på et så højt niveau spørgsmål."

I et forsøg på at løse den første udfordring, Zhao forklarer, at forskere kan udnytte nye materialer, der kræver mindre energi til at ændre stivheden, såsom legeringer med lavt smeltepunkt, som skifter fra en stiv tilstand til en blød tilstand ved lavere temperaturer. For at løse den anden udfordring, han afslører, at akademikere kan udvikle teoretiske rammer til at forudsige alle mulige rekonfigurationer for et givet design, og derefter "udnytte beregningssimuleringer til at syntetisere et design for at opnå ønskede konfigurationer."

"Ser frem til, Jeg tror, ​​vi vil være i stand til at opnå adaptive robotter, der kan have alle mulige muligheder, såsom at gå, flyvende, svømning eller klatring, i de næste par år. Dette kan opnås ved at udnytte det store udvalg af digitale materialer, som 3-D-print tilbyder, til at blive brugt til fremstilling af adaptive robotter og miniaturisering af forskellige mekatroniske komponenter – f.eks. sensorer, aktuatorer og mikrocontrollere - såvel som high-fidelity simuleringer af mekaniske systemer med heterogene materialer, især til bløde robotter lavet af bløde materialer, " tilføjer han.