Meine Studenten und ich arbeiten an winzigen Robotern. Wir können sie als Roboterversionen von Tieren betrachten, die uns allen bekannt sind: Ameisen. Wir wissen, dass Ameisen und Insekten ähnlicher Größe sehr erstaunliche Dinge tun können. Wir alle haben Gruppen von Ameisen oder dergleichen gesehen, die unsere Kartoffelchips bei einem Picknick wegtragen. Aber was sind die wahren Herausforderungen beim Bau dieser Ameisen?
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
Zuerst einmal: Wie bekommen wir die Fähigkeiten der Ameisen in einen Roboter der gleichen Größe? Zuerst müssen wir einen Bewegungsmechanismus für diese kleinen Roboter finden. Wir benötigen Mechanismen wie Beine und Motoren, um die Fortbewegung zu unterstützen, sowie Sensoren, Energie und Steuerung, um alle Aspekte in einem semi- intelligenten Ameisenroboter zu vereinen. Damit sie am Ende zweckmäßig sind, sollen viele von ihnen zusammenwirken um gemeinsam größere Aufgaben zu bewältigen.
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.
Ich beginne mit der Mobilität. Insekten bewegen sich erstaunlich geschickt. Dieses Video der UC Berkeley zeigt eine Kakerlake, die sich auf sehr unwegsamem Gelände bewegt ohne umzukippen. Sie kann das, da ihre Beine sowohl aus starren Materialien, wie wir sie üblicherweise für den Bau von Robotern benutzen, und weichen Materialien bestehen. Springen ist auch eine sehr interessante Fortbewegungsart, wenn man so klein ist. Diese Insekten speichern Energie in einer Sprungfeder und setzen sie schnell wieder frei, um aus dem Wasser hüpfen zu können.
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.
Einer der größten Beiträge meines Labors war die Kombination aus weichen und starren Materialien in sehr, sehr kleinen Mechanismen. Dieser Sprungmechanismus misst etwa vier Millimeter an jeder Seite, also extrem klein. Das starre Material ist Silizium und das weiche Material Silikon-Kautschuk. Die Idee dahinter ist, es zusammenzudrücken, Energie in den Sprungfedern zu speichern und beim Sprung freizusetzen. Dies funktioniert ohne Motoren, ohne Antrieb. Es wird mit einer Methode ausgeführt, die wir in meinem Labor „Doktorand mit Pinzette“ nennen. Im nächsten Video sehen Sie einen kleinen Kerl, der erstaunliche Sprünge vollbringt. Das ist Aaron, der besagte Doktorand mit Pinzette, und ein vier Millimeter kleiner Mechanisums, der fast 40 Zentimeter hoch springt. Das ist fast das Hundertfache seiner eigenen Größe. Er übersteht das, prallt vom Tisch ab, ist unglaublich robust und überlebt, bis wir ihn verlieren, weil er so winzig ist. (Gelächter)
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,
Letztendlich wollen wir auch Motoren hinzufügen. Einige Studenten im Labor arbeiten an millimeterkleinen Motoren, die in kleine autonome Roboter integriert werden sollen. Um Mobilität und Fortbewegung in dieser Größenordnung in Betracht ziehen zu können, schummeln wir mit Magneten. Was Sie hier sehen, wird einmal Teil eines Mikroroboter-Beins. Sie sehen Gelenke aus Silikon-Kautschuk und einen integrierten Magneten, der durch ein externes Magnetfeld bewegt wird.
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.
Dies ergibt den Roboter, den ich zuvor gezeigt habe. Interessanterweise hilft uns dieser Roboter zu verstehen, wie sich Insekten dieser Größe bewegen. Wir wissen recht gut, wie sich Tiere, von der Kakerlake bis zum Elefanten, bewegen. Wir bewegen uns alle auf diese federnde Art, wenn wir laufen. Bei sehr kleiner Größe beeinflussen die Kräfte zwischen meinen Füßen und dem Boden die Fortbewegung viel mehr als meine Masse, was diese federnde Bewegung erzeugt. Dieser kleine Kerl funktioniert noch nicht ganz, doch größere Versionen laufen bereits umher. Dieser ist etwa einen Zentimeter hoch und breit, sehr klein also, und läuft pro Sekunde seine zehnfache Körperlänge, das sind 10 cm pro Sekunde, sehr schnell für ein so winziges Kerlchen. Begrenzt ist das nur durch unseren Testaufbau. Doch dies zeigt Ihnen grob, wie es zurzeit funktioniert. Wir drucken Roboter auch in 3D und lassen sie über Hindernisse laufen, wie die Kakerlake zuvor.
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.
Im Endeffekt wollen wir alles auf dem Roboter anbringen: Abtastung, Antrieb, Bedienung, Bewegung, alles zusammen, und nicht alles muss zwingend von der Natur inspiriert sein. Dieser Roboter ist in etwa so groß wie ein Tic Tac, und anstelle von Magneten oder Muskeln zur Fortbewegung verwenden wir Raketen. Dies ist ein mikrofeines, dynamisches Material, von dem wir Kleinstteile anfertigen und diese am Bauch des Roboters anbringen können. So springt dieser Roboter, sobald er eine Lichtzunahme wahrnimmt.
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.
Das ist einer meiner Lieblingsfilme: Sie sehen einen 300 mg leichten Roboter, der etwa 8 cm hoch in die Luft hüpft. Er misst gerade mal 4 x 4 x 7 Millimeter. Am Anfang sehen Sie einen hellen Blitz, wenn Energie freigesetzt wird und der Roboter durch die Luft wirbelt. Hier sah man den hellen Blitz und Sie sehen den Roboter hochspringen. Das funktioniert ganz ohne Leinen oder Drähte, alles ist an Bord, und sein Sprung ist die Reaktion auf eine Schreibtischlampe, die ein Student einschaltet.
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.
Sie können sich all die Dinge vorstellen, die wir mit so kleinen Robotern, die laufen, kriechen, springen und rollen, machen können. Denken Sie an die Trümmer nach einer Naturkatastrophe wie einem Erdbeben. Stellen Sie sich vor, wie diese kleinen Roboter in den Trümmern nach Überlebenden suchen. Stellen Sie sich vor, wie viele dieser kleinen Roboter eine Brücke auf deren Sicherheit prüfen, um Einstürze wie diesen vor Minneapolis im Jahr 2007 zu vermeiden. Stellen Sie sich vor, was möglich wäre, wenn kleine Roboter durch Ihren Blutkreislauf schwimmen: "Die Fantastische Reise", Isaac Asimov. Man könnte operieren, ohne den Patienten dafür aufschneiden zu müssen. Wir könnten die Art ändern, wie wir Dinge bauen, wenn winzige Roboter wie Termiten arbeiten, die diese unglaublichen 8 Meter hohen Hügel bauen, gut gelüftete Wohnblöcke für andere Termiten in Afrika und Australien.
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.
Ich denke, ich habe Ihnen gezeigt, was wir mit diesen kleinen Robotern alles tun können. Wir haben bereits einige Fortschritte gemacht, doch es liegt noch ein weiter Weg vor uns.
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.
Ich hoffe, einige von Ihnen werden dazu beitragen. Vielen Dank.
Thanks very much.