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.
Razem ze studentami pracuję nad bardzo małymi robotami. Wyobraźcie sobie zautomatyzowaną wersję znanej wszystkim mrówki. Mrówki i inne owady tej wielkości mogą robić niesamowite rzeczy. Wszyscy widzieliśmy grupę mówek przenoszącą frytkę podczas pikniku.
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.
Jakie są jednak prawdziwe wyzwania konstruowania takich mrówek? Po pierwsze, jak uzyskać umiejętności mrówki w robocie tej samej wielkości? Najpierw trzeba sprawić, żeby te małe roboty mogły się poruszać. Potrzeba mechanizmów takich jak nogi i silniki, żeby umożliwić ruch. Potrzeba również czujników i energii, by uzyskać na wpół inteligentnego robota-mrówkę. Wszystkie wymienione czujniki i mechanizmy muszą ze sobą współgrać, by robot działał.
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.
Zacznijmy od mobilności. Owady poruszają się zadziwiająco dobrze. Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley nagrano karalucha chodzącego po nierównym terenie. Owad się nie przewraca, dlatego że jego nogi to mieszanka sztywnych i miękkich materiałów. Sztywne materiały są tradycyjnie używane do budowy robotów. Małe stworzenia poruszają się też skokami. Owady zatrzymują energię w skoku i uwalniają ją bardzo szybko, żeby móc na przykład wyskoczyć z wody.
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.
Jednym z dużych osiągnięć mojej pracowni jest połączenie sztywnych i miękkich materiałów w bardzo małych mechanizmach. Ten skaczący mechanizm jest maleńki, mierzy z boku tylko 4 milimetry. Sztywnym materiałem jest krzem, miękkim - guma silikonowa. Łączymy ze sobą te materiały, następnie zatrzymujemy energię w sprężynach i uwalniamy ją przy skoku. Nie ma żadnego silnika ani zasilania. Uruchamiamy metodę, którą nazywamy w laboratorium "doktorant z pęsetą". (Śmiech) Zobaczycie na następnym wideo, że robotowi skoki idą świetnie. To jest Aaron, doktorant z pęsetą, o którym była mowa. Widać 4-milimetrowy mechanizm, skaczący na wysokość niemal 40 cm. To prawie stokrotność jego długości. Mechanizm jest niezwykle sprężysty. Nie szkodzi mu odbijanie się od stołu. Radzi sobie nieźle, aż go tracimy, bo jest taki maleńki.
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.
Ostatecznie chcemy dodać do robota silniki. Studenci pracują w laboratorium nad milimetrowymi silnikami, żeby scalić je z małymi, niezależnymi robotami. Jednak żeby obserwować mobilność i ruch w tej skali, oszukujemy z pomocą magnesów. To pokazuje, co ostatecznie będzie częścią mikro-nogi robota. Widać złączenia z silikonowej gumy i osadzony magnes, który porusza się za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego.
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.
Dochodzimy do robota, którego pokazałam wcześniej. Interesujące, że ten robot może pomóc nam zrozumieć, jak poruszają się owady takiej skali. Mamy dobry model pokazujący, jak poruszają się zwierzęta, od karalucha aż po słonia. Podczas biegu poruszamy się sprężyście. Jednak przy bardzo małych rozmiarach siły między stopami a podłożem bardziej niż masa oddziałują na ruchliwość. To powoduje sprężysty ruch. Ten robot jeszcze nie działa, ale mamy nieco większego, który biega. To bardzo niewielki, około 1-centymetrowy sześcian, który potrafi przebiec 10 długości swojego ciała na sekundę, co daje 10 cm na sekundę. Całkiem szybko, jak na małego robota. Jego ruch jest ograniczony przez ustawienia testu. Teraz macie pewne pojęcie, jak to działa. Możemy również stworzyć trójwymiarową, drukowaną wersję, pokonującą przeszkody; coś na kształt karalucha, którego widzieliście wcześniej.
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.
Ostatecznie chcemy umieścić wszystkie te funkcje w robocie. Potrzeba czujników, energii, sterowania oraz uruchomienia. Nie wszystko musi być oparte na biologii. To jest robot wielkości Tic Taca. Do jego poruszania zamiast magnesów czy mięśni używamy rakiet. To mikroskopijny, dynamiczny materiał. Możemy tworzyć maleńkie piksele i umieszczać je na brzuchu robota. Robot podskoczy, gdy wyczuje wzrost natężenia światła.
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.
To nagranie należy do moich ulubionych. Widać na nim 300-miligramowego robota, skaczącego w powietrze na wysokość 8 cm. Mierzy zaledwie 4 na 4 na 7 milimetrów. Na początku widać błysk, gdy uwalnia się energia, potem robot koziołkuje w powietrzu. Tu jest błysk. Teraz widać, jak skacze w powietrzu. Nie ma linek ani kabli mocujących. Wszystko jest wewnątrz robota, który skacze, kiedy student pstryka lampką.
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.
Wyobraźcie sobie wszystkie świetne rzeczy, jakie można robić z robotami, które biegają i pełzają, skaczą i turlają się. Wyobraźcie sobie gruzowisko po katastrofie takiej jak trzęsienie ziemi i te małe roboty przemierzające gruzowisko w poszukiwaniu ocalałych. Albo rój małych robotów na moście, sprawdzających bezpieczeństwo, żeby uniknąć takich katastrof, jak zawalenie się mostu w Minneapolis w 2007 roku. Wyobraźcie sobie, co można osiągnąć dzięki robotom poruszającym się we krwi. Jak "Fantastyczna podróż" Isaaca Asimova. Albo roboty, które operują bez otwierania ciała, albo radykalnie zmienić budownictwo, gdyby małe roboty mogły działać jak termity, budujące niesamowite, 8-metrowe kopce, czyli dobrze wentylowane wieżowce dla innych termitów w Afryce i Australii.
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.
Przedstawiłam kilka możliwości tego, co można robić z małymi robotami. Poczyniliśmy już pewne postępy, ale jeszcze wiele przed nami. Mam nadzieję, że niektórzy z was się do tego przyczynią.
Thanks very much.
Dziękuję bardzo.
(Applause)
(Brawa)