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.
Мои студенты и я работаем над созданием крохотных роботов. Вы можете представить их как роботизированную версию того, с чем вы очень хорошо знакомы, — муравья. Мы все знаем, что муравьи и другие насекомые такого размера могут делать что-то совершенно невероятное. Мы все видели группу муравьёв или нечто подобное, уносящую картофельные чипсы на пикнике, например.
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.
Но каковы реальные трудности в разработке таких муравьёв? В первую очередь, как у нас появляется возможность создания роботизированного муравья такого же размера? Для начала нам нужно понять, как заставить их двигаться при таких маленьких размерах. Нужны механизмы, такие, как ноги, и достаточно мощные моторы, чтобы поддерживать передвижение. Нужны датчики, питание и управление, чтобы соединить всё вместе в полуинтеллектуальном роботе-муравье. И, наконец, чтобы действительно создать из этого нечто полезное, нам нужно, чтобы много их работало вместе для реализации более важных вещей.
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.
Я начну с подвижности. Насекомые передвигаются удивительно хорошо. Это видео из Университета Калифорнии в Беркли показывает таракана, передвигающегося по очень неровной поверхности, при этом не переворачиваясь. Он способен делать это, потому что его конечности являются сочетанием жёстких материалов, обычно используемых в создании роботов, и мягких материалов. Прыжки — это ещё один интересный способ передвижения маленьких насекомых. Эти насекомые хранят энергию в пружинных механизмах и быстро высвобождают её, чтобы получить высокую мощность для совершения прыжка из воды, например.
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.
Одним из крупных вкладов моей лаборатории было объединение жёстких и мягких материалов в очень, очень маленьких механизмах. Размер этого прыгающего механизма примерно 4 миллиметра — действительно крошечный. Твёрдый материал здесь кремний, а мягкий — силиконовый каучук. Основной идеей является то, чтобы сжать его, сохранить энергию в пружинах, а затем высвободить для прыжка. Таким образом, там пока нет моторов, нет питания. Всё приводится в действие методом, который мы в лаборатории называем «аспирант с пинцетом». (Смех) В следующем видео вы увидите, как этот малыш преуспевает в прыжках. Это Ааарон, аспирант, о котором идёт речь, с пинцетом. Вы видите, как этот четырёхмиллиметровый механизм прыгает почти на 40 см в высоту. Это почти в 100 раз превышает его длину. И он не ломается, он отскакивает от стола. Он невероятно крепок и достаточно надёжно работает до тех пор, пока мы его не потеряем, потому что он очень маленький.
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.
В перспективе всё равно мы хотим добавить к нему мотор, и у нас есть студенты в лаборатории, работающие с миллиметровыми моторами, чтобы в итоге интегрировать их в маленьких, автономных роботов. Но, чтобы увидеть подвижность и перемещение в таком масштабе, мы прибегаем к хитрости и используем магниты. Здесь показано, что в итоге станет частью конечности микроробота: можно увидеть суставы из силиконового каучука, внутри которых встроен магнит, перемещающийся под воздействием внешнего магнитного поля.
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.
Вот так получается робот, которого я показала вам ранее. Крайне интересно то, что этот робот может помочь нам понять, как насекомые передвигаются в таком масштабе. У нас есть очень хорошая модель того, как двигаются все — от таракана до слона. Мы все двигаемся немного подпрыгивая, когда бежим. Но, если я очень маленького размера, то силы между ногами и землёй повлияют на моё передвижение гораздо сильнее, чем моя масса, что и вызывает подпрыгивающее движение. Вот этот малыш ещё не совсем работает, но у нас есть чуть более крупные экземпляры, которые умеют бегать. Вот этот, размером с кубический сантиметр, совсем маленький, и нам удалось заставить его пробега́ть почти по 10 см в секунду. Это достаточно быстро для маленького робота и пока ограничивается только нашими тестовыми установками. Это даёт вам представление о том, как сейчас работают такие роботы. Мы также можем создавать 3D-печатные версии роботов, которые могут преодолевать препятствия почти как тараканы, которых вы видели ранее.
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.
В конечном итоге мы хотим добавить все функции роботам: чувствительность, мощность, управление, приведение в действие — всё вместе. При этом не всё должно быть основано на биологии. Этот робот размером примерно с «Тик-Так». В его случае вместо магнитов или мышц для движения мы используем ракеты. Это микроизготовленный энергетический материал. Мы можем создать крошечные элементы этого материала и поместить один из них на брюшко робота. Впоследствии этот робот совершит прыжок, когда почувствует повышение освещённости.
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.
Следующее видео — одно из моих любимых. Вот этот 300-милиграммовый робот подпрыгивает в воздух на 8 см. Его размер всего 4х4х7 мм. Вначале вы увидите большую вспышку, когда взрывается энергетический материал. А затем робот кружится в воздухе. Вот произошла вспышка, и вы видите, как робот подпрыгивает в воздух. К нему не привязаны тросы, не подсоединены провода. Всё встроено, и робот подпрыгнул из-за того, что студент просто зажёг настольную ламу рядом с ним.
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.
Я думаю, вы можете представить все невероятные вещи, которые можно делать с роботами, способными ползать, вращаться, бегать, прыгать в масштабе таких размеров. Представьте обломки после стихийного бедствия, такого как землетрясение. И представьте маленьких роботов, бегающих по этим обломкам в поисках выживших. Или представьте кучу маленьких роботов, бегающих вдоль моста, чтобы изучить его и убедиться в его безопасности, чтобы не происходили такие обрушения, как это, случившееся за пределами Миннеаполиса в 2007 году. Представьте, что можно было бы сделать, если бы у нас были роботы, способные передвигаться в кровеносных сосудах. Прямо «Фантастическое путешествие» Айзека Азимова. Врачи могли бы оперировать, не делая привычных надрезов. Или же мы в корне могли бы изменить подход к строительству, если бы наши крохотные роботы работали так же, как это делают термиты. Они строят эти невероятные восьмиметровые холмы — прекрасно вентилируемые многоквартирные дома для других термитов в Африке и Австралии.
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.
Так что, я думаю, что дала вам примеры того, что мы можем делать при помощи этих маленьких роботов. Мы уже достигли некоторых успехов, но ещё предстоит пройти долгий путь, и я надеюсь, что кто-то из вас сможет внести свой вклад в это дело.
Thanks very much.
Спасибо большое.
(Applause)
(Аплодисменты)