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.
ฉันและนักเรียนของฉัน ทำงานเกี่ยวกับหุ่นยนต์ตัวเล็กๆ ตอนนี้คุณอาจคิดถึงสิ่งนี้ว่า มันเป็นอะไรบางอย่างที่คุณคุ้นเคย ในรูปแบบของหุ่นยนต์ เช่น มด พวกเราทุกคนรู้ว่ามด และแมลงอื่นๆ ที่มีขนาดใกล้เคียงกัน สามารถทำสิ่งที่น่าทึ่งได้ เราทุกคนได้เห็นกลุ่มมด หรืออะไรพวกนั้น เข็นมันฝรั่งทอดของคุณตอนไปปิ๊กนิ๊ก เป็นต้น
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.
แต่อะไรที่เป็นความท้าทายที่แท้จริง ของการวิศวกรรมมดเหล่านี้ อย่างแรกเลย เราจะเอาความสามารถของมด ใส่เข้าไปในหุ่นยนต์ขนาดเท่าๆ กับมันได้อย่างไร เอาล่ะ ก่อนอื่น เราต้องหาทางให้ได้ก่อนว่า จะทำให้พวกมันเคลื่อนที่อย่างไร เมื่อพวกมันเล็กขนาดนั้น เราต้องการกลไกลเช่นขา และการเคลื่อนไหวที่มีประสิทธิภาพ เพื่อที่จะสนับสนุนการขับเคลื่อน และเราต้องการตัวรับ (เซนเซอร์) พลังงาน และการควบคุม เพื่อที่จะให้มันทำงานด้วยกัน ในหุ่นมดกึ่งอัจฉริยะนี้ และสุดท้าย เพื่อสร้างสิ่งเหล่านี้ ให้ทำงานได้จริงๆ เราต้องการให้พวกมันทำงานด้วยกัน เพื่อที่จะทำงานที่ใหญ่กว่า
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.
ดังนั้น เราเริ่มจากการเคลื่อนไหว แมลงเคลื่อนไปรอบๆ ได้ค่อนข้างดี วีดีโอนี้ จากมหาวิทยาลัยเบิร์กลีย์ (UC Berkeley) แสดงการเคลื่อนไหวของแมลงสาป บนพื้นที่ตะปุ่มตะปั่ม โดยไม่ล้มได้อย่างน่าทึ่ง และมันสามารถทำสิ่งนี้ได้ เพราะขาของมัน เป็นผลรวมจากวัสดุที่แข็งแกร่ง ซึ่งเป็นสิ่งที่เราใช้ในการสร้างหุ่นยนต์อยู่แล้ว และวัสดุอ่อน การกระโดดเป็นอีกอย่างหนึ่งที่น่าสนใจ ในการไปไหนมาไหนเมื่อคุณตัวเล็กมาก ดังนั้น แมลงเหล่านี้เก็บพลังงานในรูปของสปริง และปลดปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว เพื่อที่จะได้มีพลังงานมากๆ ที่จำเป็นต่อการกระโดดขึ้นจากน้ำ เป็นต้น
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.
ฉะนั้น หนึ่งในสิ่งที่ห้องทดลองของฉัน ได้มีส่วนส่งเสริม ก็คือการรวมวัสดุที่ แข็งแรงและอ่อนนุ่ม ในหุ่นยนต์ที่เล็กมากๆ ฉะนั้น หุ่นยนต์ที่กระโดดได้นี้ มีขนาดเพียงสี่มิลลิเมตรในด้านหนึ่ง ฉะนั้นมันจิ๋วมาก วัสดุแข็งในที่นี้คือ ซิลิคอน และวัสุดอ่อนคือ ยางซิลิโคน และความคิดหลักก็คือ เรากำลังจะอัดสิ่งนี้ เก็บพลังงานในสปริง และปล่อยมันให้กระโดด ดังนั้น มันไม่มีการติดตั้งมอเตอร์ตอนนี้ ไม่มีพลังงาน มันขับเคลื่อนด้วยวิธีการ ที่เราเรียกกันในห้องทดลอง "นักเรียนวิทยาลัยกับแหนบ" (เสียงหัวเราะ) ดังนั้นสิ่งที่คุณจะได้เห็นในวีดีโอ ก็คือสิ่งนี้ที่กำลังกระโดด ได้อย่างน่าทึ่ง นี่คืออารอน นักเรียนวิทยาลัยต้องสงสัย กับแหนบ และที่คุณได้เห็นคือหุ่นยนต์สี่มิลลิเมตร กระโดดสูงเกือบ 40 เซนติเมตร มันมากกว่า 100 เท่าของความยาวของมัน และมันยังคงปลอดภัย กระโดดไปมาอยู่บนโต๊ะ มันแข็งแรงมาก และแน่นอน มันปลอดภัยดี จนกระทั่งเราทำมันหาย เพราะมันเล็กมากๆ
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.
อย่างไรก็ดี ที่สุดแล้ว เราต้องการเพิ่มมอเตอร์เข้าไปด้วย เรามีนักเรียนในห้องทดลอง ทำงานกับหุ่นยนต์ขนาดไม่กี่มิลลิเมตรนี้ และในที่สุด ก็ได้ประกอบมันเป็น หุ่นยนต์อัตโนมัติขนาดเล็ก แต่เพื่อที่จะพิจารณาในเรื่อง การเคลื่อนที่และเคลื่อนไหวของสิ่งที่มีขนาดเท่านั้น เราโกง และใช้แม่เหล็ก ดังนั้น สิ่งนี้แสดงว่าอะไรสุดท้ายแล้วเป็นส่วนหนึ่ง ของขาหุ่นยนต์ตัวเล็กจิ๋ว และคุณก็จะเห็นข้อต่อยางซิลิคอน และมันก็มีแม่เหล็กที่ฝังอยู่ ที่ถูกเคลื่อนไปรอบๆ โดยสนามแม่เหล็กจากภายนอก
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.
ดังนั้น สิ่งนี้นำไปสู่หุ่นยนต์ ที่ฉันแสดงให้ดูก่อนหน้านี้ สิ่งที่น่าสนใจจริงๆ ก็คือหุ่นยนต์สามารถช่วยให้เรารู้ว่า แมลงเคลื่อนไหวในขนาดเล็กๆ นั้นได้อย่างไร เรามีตัวอย่างที่ดีว่าทุกๆ อย่าง ตั้งแต่แมลงสาบจนถึงช้าง ว่าพวกมันเคลื่อนที่อย่างไร เราทุกคนเคลื่อนไหว ในลักษณะคล้ายๆ กับการกระโดดเวลาเราวิ่ง แต่เมื่อฉันตัวเล็ก แรงระหว่างขากับพื้น จะส่งผลต่อการเคลื่อนไหว มากกว่ามวลของฉัน ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบกระโดด ดังนั้นสิ่งนี้ยังทำงานได้ไม่ค่อยดีนัก แต่เรามีรุ่นใหญ่กว่าที่สามารถวิ่งไปมาได้ สิ่งนี้มันมีขนาดหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตรทางด้านข้าง มันเล็กมากๆ เลย และเราให้มันวิ่งเร็วประมาณ 10 เท่าของความยาวตัวมันต่อวินาที ดังนั้น 10 เซนติเมตรต่อวินาที มันค่อนข้างเร็วสำหรับเจ้าตัวเล็กนี่ และมันถูกจำกัดด้วยแบบทดลองของเราด้วย แต่มันบอกแนวให้คุณว่ามันทำงานอย่างไร เราทำรูปแบบที่เป็นแบบพิมพ์สามมิติ ของสิ่งนี้ที่เดินข้ามสิ่งกีดขวางได้ เหมือนกับแมลงสาบที่คุณเห็นก่อนหน้านี้
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.
แต่ที่สุดแล้ว เราต้องการเติมทุกอย่างในหุ่นยนต์ลงไป เราต้องการการตรวจจับ พลังงาน การควบคุม การกระตุ้น ทั้งหมดด้วยกันนี้ และไม่ใช่ทุกอย่างที่ต้องเป็น อะไรที่ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติ ดังนั้น หุ่นยนต์นี้มีขนาดเท่ากับทิก แท๊ก (ลูกอม) และในที่นี้ แทนที่จะเป็นแม่เหล็กหรือกล้ามเนื้อ ที่เคลื่อนไปมา เราใช้จรวด ดังนั้นนี่คือวัสดุขนาดเล็ก ที่สอดผสานด้วยกัน และเราสามารถสร้างพิกเซลเล็กๆ และเราสามารถนำมันปะไว้ที่พุงของหุ่นยนต์ และหุ่นยนต์นี้ก็จะกระโดด เมื่อมันสัมผัสแสงที่เพิ่มขึ้น
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.
วีดีโอถัดไปเป็นวีดีโอโปรดของฉัน คุณมีหุ่น 300 มิลลิกรัม กระโดดประมาณแปดเซนติเมตร ขึ้นไปในอากาศ มันมีขนาดเพียงสี่คูณสี่มิลลิเมตร และคุณจะเห็นแสงกระพริบในตอนต้น เมื่อเครื่องยนต์ติดขึ้น และหุ่นก็สั่นๆ ผ่านขึ้นไปในอากาศ มันมีแสงกระพริบ และคุณสามารถเห็นหุ่น โยนตัวขึ้นไปในอากาศ มันไม่มีโซ่ล่าม ไม่มีสายต่อเชื่อม ทุกอย่างอยู่บนนั้น และมันเข้าตอบสนอง ต่อนักเรียนที่เปิดโคมไฟข้างๆ มัน
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.
ฉันคิดว่าคุณสามารถจินตนาการได้ ถึงสิ่งเจ๋งๆ ที่เราจะทำได้ ด้วยหุ่นเล็กๆ ที่สามารถวิ่งและคลาน และกระโดดและหมุน ลองนึกถึงซากปรักหักพัง หลังจากเหตุการณ์อย่างแผ่นดินไหว ลองนึกถึงหุ่นยนต์เล็กๆ วิ่งผ่านซากเหล่านั้น เพื่อหาผู้รอดชีวิต หรือลองนึกถึงหุ่นเล็กๆ มากมาย ที่วิ่งไปรอบๆ สะพาน เพื่อตรวจตราความปลอดภัย เพื่อจะได้ไม่เกิดเหตุการณ์สะพานพังแบบนี้ ซึ่งมันเกิดขึ้นนอกมินเนียโพลิสในปี ค.ศ. 2007 หรือลองคิดว่า คุณจะทำอะไรได้ ถ้าคุณมีหุ่นที่ว่ายเข้าไปในกระแสเลือด อย่างในเรื่องท่องทะเลเลือด (Fantastic Voyage) ของไอแซค อาซิมอฟ (Isaac Asimov) หรือพวกมันอาจผ่าตัดคุณ โดยไม่ต้องผ่าเปิดตัวคุณแต่แรก หรือพวกเราอาจเปลี่ยนวิธีการสร้างสิ่งต่างๆ ถ้าเรามีหุ่นตัวเล็กๆ ทำงานในแบบที่ปลวกทำ และพวกมันก็สร้างจอมปลวกสูงแปดเมตรอันน่าทึ่ง ที่ระบายอากาศได้ดี เป็นที่อยู่ที่ดีสำหรับปลวก ในแอฟริกา และออสเตรเรีย
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.
ฉันคิดว่าฉันให้ความคิดกับคุณ ว่าเราน่าจะทำอะไรได้บ้างกับหุ่นเล็กๆ เหล่านี้ และเราได้สร้างความก้าวหน้า แต่ก็ยังมีอะไรมากมายที่เราต้องทำ และหวังว่า คุณบางคน จะสามารถเข้ามาช่วยให้เราไปถึงเป้าหมายนั้น
Thanks very much.
ขอบคุณมากค่ะ
(Applause)
(เสียบปรบมือ)