أنا وتلامذتي نعمل على روبوتات صغيرة جدا. الآن تستطيع أن تعتبر هذه الروبوتات نماذج ﻷشياء مألوفة جدا: النملة. وجميعنا يعلم بأن النمل والحشرات الأخرى بمثل هذا حجم قادرة على عمل أشياء مذهلة. جميعنا رآى مجموعة من النمل أو نموذجا من ذلك تقوم بأخذ رقائق البطاطس خلال النزهة، على سبيل المثال. ولكن ما هي التحديات الحقيقية لهندسة هذا النمل؟ حسنا، أولا وقبل كل شيء، كيف نحصل على قدرات النملة في روبوت بمثل هذا الحجم؟ حسنا، أولا نحن بحاجة إلى معرفة كيفية جعلها تتحرك كونها صغيرة جدا. نحن بحاجة إلى آليات مثل السيقان والمحركات الفعالة من أجل دعم هذه الحركة. ونحن بحاجة إلى المجسات والكهرباء وآليات التحكم من أجل ضم جميع المهام في روبوت "النمل الشبه الذكي". وأخيرا، لجعل هذه الأمور تعمل، نريد الكثير من هذه الروبوتات العمل معا من أجل عمل مهام أكبر. لذلك سأبدأ بمفاهيم الحركة. الحشرات تتحرك وتتنقل بشكل مثير للدهشة. هذا الفيديو من جامعة بيركلي. ويظهر صرصورا يتحرك على أرض وعرة للغاية دون أن ينقلب، وهو قادر على القيام بذلك لأن سيقانه مكونه من مزيج مواد قاسية وصلبة، وهي ما نستخدمها عادة في صناعة الروبوتات، ومواد لينة أيضا. طريقة أخرى ومثيرة جدا للاهتمام للتنقل عندما يكون حجمك صغير جدا هي القفز. إن هذه الحشرات تخزن الطاقة على شكل زنبركي ومن ثم تفرج عن هذه الطاقة بسرعة فائقة للحصول على الطاقة الكافية التي يحتاجونها للقفز من الماء، على سبيل المثال. لذلك أحد أكبر المساهمات المقدمة من مختبري هي الجمع ما بين المواد الصلبة والمرنة في آليات صغيرة للغاية. آلية القفز هذه هي عبارة عن حوالي أربعة مليمترات على الجانب، لذلك فهي صغيرة للغاية. المادة الصلبة هنا هي السيليكون، والمادة اللينة هي مطاط السيليكون. والفكرة الأساسية هي أننا سنقوم بالضغط عليها، لنخزن الطاقة في الزنبركات، ومن ثم نفرج عنها للقفز. حاليا لا توجد محركات ولا كهرباء على متن الروبوت. يتم دفعها باستخدام طريقة نسميها في مختبري "طالب دراسات عليا مع ملاقط." إذا ما سترونه في المقطع التالي طالب يقوم بعمل مدهش لجعلها تقفز هذا هو "آرون" طالب الدراسات العليا مع الملاقط ترون آلية اﻷربع مليمترات تقفز حوالي 40 سنتيمترا. ما يقارب 100 ضعف طولها. ومع ذلك ينجو، يرتد على الطاولة، إنه قوي بشكل لا يصدق، وينجو بشكل جيد حتى نضيعه لأنه صغير جدا. في النهاية، نريد أن نضيف محركات أيضا، ولدينا طلاب في المختبر يعملون على محركات بحجم المليمتر لدمجها مع الروبوتات المستقلة الصغيرة الحجم. لكن من أجل تهيئة التنقل والحركة لمثل هذا الحجم من الروبوتات نقوم بالاحتيال واستخدام المغناطيسات. هذا يوضح ما سيكون جزء من ساق لروبوت دقيق الحجم، ويمكنك أن ترى مفاصل السيليكون المطاطية وهناك مغناطيس مضمن يتم تحريكه بواسطة حقل مغناطيسي خارجي. يقودنا هذا إلى الروبوت الذي عرضته عليكم في وقت سابق. والشيء المثير للاهتمام أن هذا الروبوت يمكن أن يساعدنا على اكتشاف كيفية حركة الحشرات الصغيرة الحجم. لدينا نموذج ممتاز يشرح بشكل شامل آلية الحركة ابتداء من الصرصور إلى الفيل. كلنا نتبع حركة الوثب عند الجري. لكن إذا كنت صغيرة الحجم، القوى ما بين قدمي والأرض ستأثر بحركتي أكثر بكثير من كتلتي. وهو ما يسبب حركة الوثب. هذا الروبوت لا يعمل تماما حتى الآن، لكن لدينا نماذج أكبر قليلا تقوم بالتنقل والحركة. هذا حوالي سنتيمتر مكعب، سنتيمتر واحد على الجانب، لذلك هو صغير جدا، وقد استطعنا تهيئته ليجري ما يقارب 10 أضعاف طوله. أي 10 سنتيمترات في الثانية. هذا سريع جدا مقارنة بروبوت صغير الحجم. وهو فقط محدود بسبب إعدادات الاختبار. لكن يعطيك هذا الآن فكرة عن كيفية عمل الروبوت. نستطيع أيضا إنتاج نماذج ثلاثية اﻷبعاد، يمكنها الصعود فوق العقبات، مثل الصرصور، الذي شاهدناه في وقت سابق. لكن في النهاية نريد إضافة كل شيء على متن الروبوت. نريد الاستشعار، والطاقة، والسيطرة، والنظام الميكانيكي كل ذلك معا، ولا يجب استيحاء كل شيء من أسس بيولوجية. هذا الروبوت بحجم سكاكر النعناع. الآن، بدلا من المغناطيس أو العضلات لإيحاد الحركة، نستخدم مواد. هذه مادة حيوية مختلقة دقيقة الحجم. من هذه المادة نستطيع إنتاج بكسلات صغيرة الحجم. ويمكننا وضع واحدة من هذه البكسلات على بطن هذا الروبوت، لذلك سيقوم الروبوت بالقفز عند استشعاره زيادة في الضوء. المقطع التالي هو أحد المقاطع المفضلة لدي. لديك روبوت بوزن 300 مليغرام يقفز ما يقارب 8 سنتيمترات في الهواء. حجمه (4) (4) (7) ملليمترات. في البداية سترى وميضا ساطعا بعد تحرير الطاقة، ستجد الروبوت يتشقلب في الهواء. هذا هو الوميض، وبعده ترى الروبوت يقفز عاليا في الهواء. ليست هناك حبال ولا أسلاك متصلة بالروبوت. كل شيء على متن الروبوت، وتم القفز على شكل ردة فعل للضوء الناتج عن مصباح المكتب الذي يقوم الطالب بإضاءته لذلك أعتقد انه يمكنك أن تتخيل كل الأشياء الرائعة التي يمكن أن نقوم بها مع روبوتات صغيرة الحجم تستطيع الجري والزحف والقفز والتدحرج. تخيل الركام الناتج بعد كارثة طبيعية مثل الزلزال. تخيل هذه الروبوتات الصغيرة تجول هذا الركام للبحث عن ناجين. أو تخيل عددا كبيرا من الروبوتات تتجول حول جسر من أجل فحصه والتأكد من أنه آمن لكيلا تحصل على انهيارات مثل هذه التي حدثت خارج مينيابوليس في عام 2007. أو فقط تخيل ما يمكن أن تفعله لو كان لديك روبوتات تسبح خلال الدم. أليس كذلك؟ "رحلة رائعة" لإسحاق أسيموف. أو العمل دون الحاجة لشق الجسم في المقام الأول. أو نستطيع تغيير طرق صناعتنا للأشياء وبشكل جذري لو أمكننا جعل روبوتاتنا تعمل كالنمل اﻷبيض، وجعلناها تبني التلال العالية ذات الثمانية أمتار، وبناء مبان سكنية جيدة التهوية لغيرها من النمل اﻷبيض في أفريقيا وأستراليا. لذلك أعتقد أنني أعطيتكم بعض احتمالات ما يمكننا القيام به من خلال هذه الروبوتات الصغيرة. ونأمل أن نكون قد حققنا بعض التقدم إلى الآن لكن لا يزال أمامنا الكثير ونأمل أن البعض منكم يمكنه المساهمة في تحقيق تلك الغاية. شكرا جزيلا. (تصفيق)
My students and I work on very tiny robots. Now, you can think of these as robotic versions of something that you're all very familiar with: an ant. We all know that ants and other insects at this size scale can do some pretty incredible things. We've all seen a group of ants, or some version of that, carting off your potato chip at a picnic, for example. But what are the real challenges of engineering these ants? Well, first of all, how do we get the capabilities of an ant in a robot at the same size scale? Well, first we need to figure out how to make them move when they're so small. We need mechanisms like legs and efficient motors in order to support that locomotion, and we need the sensors, power and control in order to pull everything together in a semi-intelligent ant robot. And finally, to make these things really functional, we want a lot of them working together in order to do bigger things. So I'll start with mobility. Insects move around amazingly well. This video is from UC Berkeley. It shows a cockroach moving over incredibly rough terrain without tipping over, and it's able to do this because its legs are a combination of rigid materials, which is what we traditionally use to make robots, and soft materials. Jumping is another really interesting way to get around when you're very small. So these insects store energy in a spring and release that really quickly to get the high power they need to jump out of water, for example. So one of the big contributions from my lab has been to combine rigid and soft materials in very, very small mechanisms. So this jumping mechanism is about four millimeters on a side, so really tiny. The hard material here is silicon, and the soft material is silicone rubber. And the basic idea is that we're going to compress this, store energy in the springs, and then release it to jump. So there's no motors on board this right now, no power. This is actuated with a method that we call in my lab "graduate student with tweezers." (Laughter) So what you'll see in the next video is this guy doing amazingly well for its jumps. So this is Aaron, the graduate student in question, with the tweezers, and what you see is this four-millimeter-sized mechanism jumping almost 40 centimeters high. That's almost 100 times its own length. And it survives, bounces on the table, it's incredibly robust, and of course survives quite well until we lose it because it's very tiny. Ultimately, though, we want to add motors to this too, and we have students in the lab working on millimeter-sized motors to eventually integrate onto small, autonomous robots. But in order to look at mobility and locomotion at this size scale to start, we're cheating and using magnets. So this shows what would eventually be part of a micro-robot leg, and you can see the silicone rubber joints and there's an embedded magnet that's being moved around by an external magnetic field. So this leads to the robot that I showed you earlier. The really interesting thing that this robot can help us figure out is how insects move at this scale. We have a really good model for how everything from a cockroach up to an elephant moves. We all move in this kind of bouncy way when we run. But when I'm really small, the forces between my feet and the ground are going to affect my locomotion a lot more than my mass, which is what causes that bouncy motion. So this guy doesn't work quite yet, but we do have slightly larger versions that do run around. So this is about a centimeter cubed, a centimeter on a side, so very tiny, and we've gotten this to run about 10 body lengths per second, so 10 centimeters per second. It's pretty quick for a little, small guy, and that's really only limited by our test setup. But this gives you some idea of how it works right now. We can also make 3D-printed versions of this that can climb over obstacles, a lot like the cockroach that you saw earlier. But ultimately we want to add everything onboard the robot. We want sensing, power, control, actuation all together, and not everything needs to be bio-inspired. So this robot's about the size of a Tic Tac. And in this case, instead of magnets or muscles to move this around, we use rockets. So this is a micro-fabricated energetic material, and we can create tiny pixels of this, and we can put one of these pixels on the belly of this robot, and this robot, then, is going to jump when it senses an increase in light. So the next video is one of my favorites. So you have this 300-milligram robot jumping about eight centimeters in the air. It's only four by four by seven millimeters in size. And you'll see a big flash at the beginning when the energetic is set off, and the robot tumbling through the air. So there was that big flash, and you can see the robot jumping up through the air. So there's no tethers on this, no wires connecting to this. Everything is onboard, and it jumped in response to the student just flicking on a desk lamp next to it. So I think you can imagine all the cool things that we could do with robots that can run and crawl and jump and roll at this size scale. Imagine the rubble that you get after a natural disaster like an earthquake. Imagine these small robots running through that rubble to look for survivors. Or imagine a lot of small robots running around a bridge in order to inspect it and make sure it's safe so you don't get collapses like this, which happened outside of Minneapolis in 2007. Or just imagine what you could do if you had robots that could swim through your blood. Right? "Fantastic Voyage," Isaac Asimov. Or they could operate without having to cut you open in the first place. Or we could radically change the way we build things if we have our tiny robots work the same way that termites do, and they build these incredible eight-meter-high mounds, effectively well ventilated apartment buildings for other termites in Africa and Australia. So I think I've given you some of the possibilities of what we can do with these small robots. And we've made some advances so far, but there's still a long way to go, and hopefully some of you can contribute to that destination. Thanks very much. (Applause)