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.
Eu e os meus alunos trabalhamos com robôs muito pequenos. Podem pensar neles como versões robóticas de algo com que estão todos familiarizados: uma formiga. Todos sabemos que as formigas e outros insetos a esta escala podem fazer coisas incríveis. Todos vimos já um grupo de formigas ou algo parecido, a carregar uma batata frita num piquenique, por exemplo.
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.
Quais são os verdadeiros desafios de construir estas formigas? Em primeiro lugar, como conseguimos as capacidades de uma formiga num robô do mesmo tamanho? Primeiro temos que descobrir como fazê-los andar, sendo tão pequenos. Precisamos de mecanismos como pernas e motores eficientes de modo a apoiar essa locomoção. Precisamos de sensores, potência e controlo para juntar tudo num robô formiga semi-inteligente. Finalmente, para tornar isto realmente funcional queremos que trabalhem em conjunto para fazerem coisas mais importantes.
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.
Vou começar com a mobilidade. Os insetos deslocam-se muito bem. Este vídeo é da UC Berkeley. Mostra uma barata a mover-se sobre terreno muito irregular, sem tombar. Ela consegue fazer isto porque as suas pernas combinam materiais rígidos, que usamos tradicionalmente para fazer robôs, com materiais macios. Quando se é muito pequeno, outra forma interessante de deslocação é saltar. Estes insetos armazenam energia numa mola e libertam-na muito rapidamente, para conseguirem a potência necessária para sair da água, por exemplo.
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.
Uma das grandes contribuições do meu laboratório tem sido combinar materiais rígidos e macios em mecanismos muito, muito pequenos. Este mecanismo de salto tem cerca de quatro milímetros de lado. É muito pequeno. O material rígido aqui é silicone, e o macio é borracha de silicone. A ideia básica é que vamos comprimir isto, armazenar energia nas molas e depois soltá-la para saltar. Ainda não estamos a usar motores ou potência. Isto é acionado com um método a que chamamos, no meu laboratório, "universitário com pinças". (Risos) O que verão no próximo vídeo é um tipo a portar-se muito bem nos seus saltos. Este é o Aaron, o universitário em questão, com as pinças. O que veem é um mecanismo de quatro milímetros a saltar cerca de 40 centímetros em altura. É quase 100 vezes o seu comprimento. Ele sobrevive, balança na mesa, é incrivelmente robusto e sobrevive muito bem até que o perdemos, por ser tão pequeno.
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.
Em última análise, queremos acrescentar motores a isto. Temos estudantes no laboratório a trabalhar em motores milimétricos, para serem integrados em robôs pequenos e autónomos. De modo a trabalhar a mobilidade e a locomoção a esta escala, para começar, estamos a fazer batota e a usar ímanes. Isto mostra o que poderá ser parte da perna de um micro-robô. Podem ver as juntas de borracha de silicone. Existe um íman incorporado que está a ser deslocado por um campo magnético externo.
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.
Isto leva-nos ao robô que vos mostrei antes. A coisa mais interessante que este robô nos ajuda a perceber é como os insetos se movem, a esta escala. Temos um modelo realmente bom de como tudo se move, desde uma barata até a um elefante. Todos nos movemos de um modo saltitante quando corremos. Quando se é muito pequeno, as forças entre os pés e o chão afetam muito mais a locomoção do que a massa, que é o que causa aquele movimento saltitante. Este tipo ainda não funciona, mas temos versões ligeiramente maiores que conseguem correr. Isto tem cerca de um centímetro cúbico, um centímetro de lado, muito pequeno. Pusemo-lo a correr 10 comprimentos do seu corpo por segundo, ou 10 cm por segundo. Bastante rápido, para um tipo tão pequeno, e só está limitado pelo nossos testes. Isto dá-nos uma ideia de como as coisas funcionam neste momento. Também podemos fazer versões impressas em 3D que conseguem trepar obstáculos, como a barata, que viram antes.
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.
Em última análise, queremos acrescentar tudo a este robô. Queremos sensores, potência, controlo, tudo acionado em conjunto. Nem tudo tem que ser inspirado na biologia. Este robô tem cerca do tamanho de um Tic Tac. Neste caso, em vez de ímanes ou músculos para se mover, usamos foguetes. Isto é um material energético micro fabricado. Podemos criar pequenos pontos deste material, e podemos pôr um desses pontos na barriga deste robô. Assim, este robô vai saltar quando sentir um aumento de luz.
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.
O próximo vídeo é um dos meus favoritos. Temos aqui um robô de 300 miligramas a saltar oito centímetros no ar. Só tem quatro por quatro por sete milímetros de tamanho. Verão um grande clarão no início, quando a energia for libertada, e o robô aos tombos pelo ar. Aí está o grande clarão, e podemos ver o robô a subir através do ar. Não há aqui amarras nem fios de ligação. Está tudo integrado e saltou em resposta ao facto de o estudante ter apenas ligado o candeeiro ao seu lado.
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.
Poderão imaginar todas as coisas fixes que podemos fazer com robôs que conseguem correr, rastejar, pular e rolar, a esta escala. Imaginem os destroços resultantes de um desastre natural como um terramoto. Imaginem estes robôs a correr através desses destroços, à procura de sobreviventes. Ou imaginem uma série de pequenos robôs a correr por uma ponte, para poderem inspecioná-la e garantir que é segura, para evitar colapsos como este, que sucedeu nos arredores de Mineápolis em 2007. Imaginem o que poderíamos fazer se tivéssemos robôs que nadassem através do nosso sangue. Certo? "Viagem Fantástica", de Isaac Asimov. Se conseguissem operar sem terem que nos cortar e abrir, em primeiro lugar. Se pudéssemos mudar radicalmente o modo de construir as coisas, se tivéssemos os nossos pequenos robôs a trabalhar como as térmitas, construindo incríveis montes de oito metros de altura, prédios de apartamentos muito bem ventilados, para outras térmitas, em África e na Austrália.
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.
Penso ter-vos dado algumas das possibilidades do que podemos fazer com estes pequenos robôs. Já fizemos alguns avanços, até agora, mas há ainda um longo caminho a percorrer. Espero que alguns de vós possam contribuir para esse objetivo.
Thanks very much.
Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)