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.
Mijn studenten en ik werken aan hele kleine robots. Deze kun je zien als mechanische versies van iets waar jullie allemaal bekend mee zijn: een mier. Iedereen weet dat mieren en andere net zo grote insecten in staat zijn tot ongelooflijke dingen. Iedereen heeft al eens een groep mieren, of iets soortgelijks, een frietje zien wegdragen bij een picknick, bijvoorbeeld.
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.
Maar wat zijn de echte uitdagingen bij het ontwerp van deze mieren? Ten eerste: hoe stoppen we alle capaciteiten van een mier in een robot die even groot is? Eerst moeten we uitzoeken hoe we ze gaan laten bewegen als ze zo klein zijn. Er zijn mechanismen als poten en motoren nodig om die voortbeweging te ondersteunen en we hebben sensoren, kracht en controle nodig om alles samen te voegen tot een semi-intelligente robotmier Ten slotte, om alles functioneel te krijgen willen we er veel bij elkaar hebben om grotere taken te kunnen uitvoeren.
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.
Ik begin met beweeglijkheid. Insecten bewegen zich ongelooflijk soepel. Deze video is van UC Berkeley. Het laat een kakkerlak zien die over ruig terrein loopt zonder om te vallen. Dit lukt omdat zijn poten gemaakt zijn van een combinatie van hard materiaal, normaal gebruikt bij het maken van robots, en zachte materialen. Springen is een andere interessante manier van voortbewegen als je klein bent. Deze insecten slaan energie op in een veer en laten die supersnel vrij voor het hoge vermogen dat ze nodig hebben
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.
om uit het water te kunnen springen. Een van de grote bijdragen uit mijn laboratorium is het combineren van hard en zacht materiaal in piepkleine machines. Dit 'machientje' is ongeveer 4 millimeter lang, dus heel erg klein. Het harde materiaal is silicium en het zachte materiaal is siliconenrubber. Het basisidee is dat we het samendrukken, energie in de veer opslaan en loslaten voor de sprong. Nu nog zonder motor of stroom. Het wordt aangedreven door een methode die we in mijn lab "promovendus met pincet" noemen. (Gelach) In de volgende video zie je dat dit kleintje het erg goed doet. Dit is Aaron, de promovendus in kwestie, met het pincet en je ziet dat dit machientje van 4 millimeter bijna 40 centimeter hoog springt. Dat is ongeveer 100 keer zijn eigen lengte. Het overleeft en stuitert op de tafel. Het is erg stevig en overleeft prima totdat we het kwijtraken
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.
omdat het zo extreem klein is. Uiteindelijk willen we er ook motors aan toevoegen. Studenten in het lab werken al aan millimetergrote motoren voor die kleine, autonome robots. Om echter nu al op deze schaal beweeglijkheid en voortbeweging te simuleren, spelen we vals en gebruiken we magneten. Dit laat iets zien dat uiteindelijk deel wordt van een robotpoot. Je ziet de siliconenrubberen gewrichten. Een ingebouwde magneet wordt aangedreven door een extern magnetisch veld.
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.
Dit leidt tot de robot die ik al eerder liet zien. Het interessante dat deze robot ons kan helpen begrijpen is hoe insecten op deze schaal bewegen. We hebben een erg goed beeld van hoe alles, van kakkerlak tot olifant, beweegt. We springen allemaal een beetje als we rennen. Als ik heel klein ben, zal mijn voortbeweging meer afhangen van de krachten tussen mijn voeten en de grond dan van mijn massa. Vandaar die sprongbeweging. Dit ventje werkt nog niet echt, maar we hebben al grotere versies die rondrennen. Dit is ongeveer een kubieke centimeter, erg klein dus. Hij legt al 10 lichaamslengten per seconde af of 10 centimeter per seconde. Dat is best snel voor een klein ventje en dit is alleen beperkt door onze testopstelling. Dit geeft een idee van hoe het momenteel werkt. We kunnen ook 3D-geprinte versies maken die over hindernissen kunnen klimmen, zoals de kakkerlak die jullie eerder al zagen.
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.
Uiteindelijk willen we alles in de robot krijgen. We willen sensoren, stroom, besturing en aandrijving ineen. Niet alles hoeft bio-gebaseerd te zijn. Deze robot is net zo groot als een Tic Tac. In dit geval gebruiken we geen magneten of spieren voor de voortbeweging, maar raketten. Dit is micro-gefabriceerd materiaal met hoge energie-inhoud. We kunnen er kleine pixels van maken en ze op de buik van de robot plaatsen waardoor hij gaat springen als hij een lichtimpuls krijgt.
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.
Deze video is een van mijn favorieten. Dit is een robot van 300 milligram die acht centimeter hoog springt. De robot is 4 x 4 x 7 millimeter groot. In het begin zie je een felle flits waardoor het systeem reageert en de robot door de lucht schiet. Dat was de grote flits en je ziet dat de robot gelanceerd wordt. Dat allemaal zonder draden. Alles zit in de robot en die springt als reactie op het licht van de bureaulamp die door de student werd aangezet.
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.
Je kan je misschien voorstellen welke toffe dingen allemaal mogelijk zijn met robots op deze schaal die kunnen rennen, kruipen, springen en rollen. Stel je de puinhoop voor na een natuurramp als een aardbeving. Beeld je in dat deze kleine robots in het puin op zoek gaan naar overlevenden. Stel je voor dat veel kleine robots over een brug krioelen, die brug checken en ze veilig kunnen maken tegen instortingen zoals deze bij Minneapolis in 2007. Of beeld je in wat je zou kunnen doen met robots die door je bloed zwemmen. Te gek hè? 'Fantastic Voyage', Isaac Asimov. Je kan geopereerd worden zonder eerst opengesneden te hoeven worden. Of we kunnen onze manier van bouwen radicaal veranderen als we kleine robots hebben die werken net zoals termieten dat doen. Ze bouwen ongelooflijke torens van 8 meter hoog. Net goed geventileerde flatgebouwen. Je vindt ze in Afrika en Australië.
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.
Ik denk dat ik enkele mogelijkheden heb getoond van wat we allemaal kunnen met deze kleine robots. Tot nu toe hebben we redelijke vooruitgang geboekt, maar nog lang niet voldoende, en hopelijk kunnen enkelen van jullie daaraan meewerken.
Thanks very much.
Heel erg bedankt.
(Applause)
(Applaus)