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.
Mina studenter och jag jobbar med väldigt små robotar. Man kan se dessa som robotvarianter av något som alla känner till: en myra. Vi vet att myror och insekter av den här storleksordningen kan göra helt otroliga saker. Alla har vi sett en grupp myror eller liknande, som släpar iväg på ett potatischips under en picknick, till exempel.
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.
Vari ligger de verkliga utmaningarna i att skapa dessa myror? För det första, hur får vi in en myras alla egenskaper i en robot av samma storlek som myran? Först måste vi komma på hur vi får dem att röra sig när de är så små. Vi behöver någon slags ben och effektiva motorer för att åstadkomma rörelse, och vi behöver sensorer, kraft och ett styrsystem för att få ihop allt för en semi-intelligent myrrobot. För att få det att fungera riktigt bra, vill vi att många ska jobba tillsammans för att kunna göra svårare saker.
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.
Jag börjar med rörlighet. Insekter rör sig förvånansvärt bra. Videon kommer från UC Berkeley. I den ser vi en kackerlacka som rör sig över oerhört tuff terräng utan att falla omkull, och den kan göra detta eftersom dess ben är en kombination av styva material, något som vi brukar använda när vi gör robotar, och mjuka material. Att hoppa är ett annat intressant sätt att ta sig fram när man är väldigt liten. Insekterna lagrar energin i en fjäder och släpper lös den hastigt för att få kraft att hoppa upp ur vatten till exempel.
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.
En av de största bidragen från mitt labb har varit att kombinera styva och mjuka material i väldigt, väldigt små mekanismer. Den här hoppmekanismen är cirka fyra millimeter per sida, väldigt liten. Det hårda materialet här är kisel, och det mjuka är silikongummi. Grundidén är att trycka ihop den, lagra energin i fjädrarna, och släppa lös dem för att hoppa. Det finns inga motorer på den här, ingen kraft. Den utlöses med en metod som vi i mitt labb kallar "Avgångselev med pincett". (Skratt) Det ni ska få se i nästa video är en liten grej som gör fantastiska hopp Det här är Aaron, avgångselev med pincett. Det ni ser är en fyra-milimeters mekanism som hoppar upp nära 40 centimeter. Det är nästan 100 gånger dess egen längd. Och den överlever, studsar lite på bordet. Den är otroligt tålig, och den överlever helt OK tills vi tappar bort den
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.
eftersom den är så liten. Till slut vill vi kunna sätta dit motorer på den. Studenterna i labbet jobbar med millimeter-stora motorer som så småningom ska integreras på små, autonoma robotar. Men för att kunna få till mobilitet och rörelse för så här små grejer fuskar vi lite och använder magneter. Det här ska till slut bli ben till en mikrorobot. Ni ser silikongummilederna. Det finns en inbyggd magnet som rör sig med hjälp av ett externt magnetfält.
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.
Det här leder fram till roboten jag visade er tidigare. Det verkligt intressanta är att tack vare roboten kan vi förstå hur små insekter rör sig. Vi har en riktigt bra modell för hur allt från en kackerlacka till en elefant rör sig. Alla rör vi oss på ett studsande sätt när vi springer. Men om jag är väldigt liten kommer kraften mellan fötter och mark att påverka min rörelse mycket mer än massan, vilket ger detta studsande rörelsemönster. Den här fungerar inte riktigt än, men vi har större varianter som kan springa omkring. Den här är cirka en centimeter per sida; väldigt liten, och den springer cirka 10 kroppslängder per sekund, 10 centimeter per sekund. Ganska snabbt för en liten grej, och det kommer gå fortare. Ungefär så ligger vi till idag. Vi kan också skriva ut 3D-versioner som kan klättra över hinder, på liknande sätt som ni såg kackerlackan göra tidigare.
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.
Målet är att lägga samman allt i en robot. Vi vill ha känsel, kraft, styrsystem och drivkraft, och allt måste inte vara bio-inspirerat. Den här roboten är ungefär lika stor som en Tic Tac, och istället för att använda magneter eller muskler för att få den att röra sig så använder vi raketer. Det här är ett småskaligt ljuskänsligt material som vi gör små pixlar av. Vi kan fästa en liten pixel på magen på den här roboten, och den kommer att hoppa när den känner att ljusstyrkan ökar.
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.
Nästa video är en av mina favoriter. En 300 milligrams robot som hoppar åtta centimeter upp i luften. Den är bara 4 x 4 x 7 millimeter stor. Ni ser en stor blixt i början när raketpixeln utlöses och roboten flyger fram genom luften. Först den stora blixten och sedan ser man roboten hoppa upp genom luften. Den sitter inte fast i något, inga snören. Den har allt inbyggt, och den hoppade för att en student tände en bordslampa bredvid den.
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.
Jag tror ni kan föreställa er alla coola saker vi skulle kunna göra med robotar som kan springa, hoppa, rulla, och som är av den här storleksordningen. Tänk er spillrorna efter en naturkatastrof som till exempel en jordbävning. Tänk er små robotar som far runt bland spillrorna i jakt på överlevande. Eller tänk er en massa små robotar som springer runt på en bro för att inspektera och kolla att den är säker så man inte drabbas av ras som det här, som hände utanför Minneapolis 2007. Föreställ er vad man skulle kunna göra om man hade robotar simmandes runt i sitt blodomlopp. Som i "Den fantastiska resan" av Isaac Asimov. Eller att man skulle kunna operera utan att behöva skära i dig. Vi skulle kunna ändra radikalt på hur vi bygger saker om man fick våra små robotar att jobba på samma sätt som termiter. De bygger sådana här otroliga åttameters högar, som helt enkelt är väl ventilerade flerfamiljshus för termiter i Afrika och Australien.
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.
Jag har visat några av de möjligheter vi har med små robotar. Vi har gjort framsteg, men det finns mycket kvar att göra, och kanske kan några av er hjälpa till att nå målet.
Thanks very much.
Tack så mycket!
(Applause)
(Applåder)