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.
Sinh viên của tôi và tôi đang làm những con rô bốt nhỏ xíu. Bạn có thể hình dung chúng là thế hệ rô bốt mô phỏng thứ mà tất cả các bạn đều đã rất quen thuộc: kiến. Ta đều biết kiến hay côn trùng ở kích thước này có thể làm những chuyện ngoài sức tưởng tượng. Ta đều đã từng thấy một đàn kiến, kéo lê bịch snack khoai tây, hay đại loại như thế, khi đi cắm trại.
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.
Nhưng điều gì là khó khi tạo ra những mô phỏng thế này? Vâng, đầu tiên, làm thế nào giữ được những khả năng của kiến trong một con rô bốt có kích cỡ tương tự? Đầu tiên, cần tìm cách khiến chúng chuyển động khi quá nhỏ. Ta cần kết cấu như chân và những mô tơ hiệu quả giúp di chuyển, và cần những cảm biến, nguồn điện và bộ điều khiển rồi gắn mọi thứ lại với nhau trong một con rô bốt kiến bán thông minh. Cuối cùng, để giúp chúng thật sự hữu ích, chúng ta muốn nhiều con làm việc với nhau. Tôi sẽ bắt đầu từ việc di chuyển.
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.
Côn trùng di chuyển khắp nơi nhịp nhàng một cách kinh ngạc. Phim này từ Đại học UC Berkeley cho thấy con gián chạy trong địa hình cực kì gồ ghề mà không bị lật nhào, nó làm được điều này nhờ chân là sự kết hợp của vật liệu cứng, vật liệu truyền thống dùng làm rô bốt , và vật liệu mềm. Phóng lên là một cách di chuyển hấp dẫn khác khi bạn rất nhỏ. Những côn trùng này nén năng lượng trong một cái lò xo và xả ra rất nhanh để đạt chiều cao cần thiết khi nhảy khỏi mặt nước, chẳng hạn.
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.
Một trong những đóng góp lớn cho phòng thí nghiệm của tôi là việc kết hợp vật liệu cứng với vật liệu mềm trong một kết cấu rất, rất nhỏ. Kết cấu nhảy này độ bốn milimét, nhỏ xíu. Vật liệu cứng ở đây là silicon, vật liệu mềm là nhựa silicon và ý tưởng là nén nó lại, giữ năng lượng trong những lò xo rồi xả ra để nó phóng lên. Thế nên, không cần động cơ bên trong, không cần điện. Nó hoạt động bằng nguyên lý phòng thí nghiệm gọi là "anh sinh viên tốt nghiệp với cái nhíp". những gì bạn thấy trong phim kế là anh chàng này thực hiện những bước nhảy ngoạn mục. Đây là Aaron, chàng sinh viên băn khoăn cùng những cái nhíp, và những gì bạn thấy là kết cấu kích thước bốn milimét nhảy cao khoảng 40 centimét. Gấp 100 lần chiều cao của nó, nó vẫn còn sống, tưng tưng trên bàn. Nó cực kỳ mạnh, và dĩ nhiên sống khá dai cho đến khi ta làm mất nó bởi vì nó rất nhỏ.
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.
Ban đầu, chúng tôi cũng tính thêm môtơ vào chúng tôi để sinh viên phòng thí nghiệm thử môtơ cỡ milimét để gắng vào những rô bốt nhỏ tự động. Để làm nó chuyển động với kích cỡ thế này, chúng tôi ăn gian bằng cách dùng nam châm. Và nam châm trở thành một phần chân của rô bốt siêu nhỏ, bạn có thể thấy những khớp nhựa silicon nối bằng nam châm chìm bên trong di chuyển tới lui trong trường điện từ bên ngoài.
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.
Tất cả tạo thành con rô bốt mà tôi cho bạn xem lúc nãy. Điều thú vị là nó giúp ta mường tượng cách di chuyển của côn trùng có kích cỡ tương tự. Ta có một mô hình rất tuyệt vời về cách mọi thứ từ con gián đến con voi di chuyển. Tất cả chúng ta đều di chuyển theo cách đàn hồi này khi chạy. Nhưng khi quá bé nhỏ, lực giữa bàn chân và mặt đất sẽ ảnh hưởng đến vận động nhiều hơn là trọng lượng tạo ra chuyển động đàn hồi. Anh chàng này làm chưa tốt lắm, nhưng chúng tôi có phiên bản lớn hơn chút cũng chạy được vòng vòng. Nó hình khối vuông khoảng 1 centimét, 1 centimét mỗi cạnh, bé xíu, chúng tôi cho nó chạy gấp 10 lần phần thân trong một giây, 10 centimét trong một giây. Khá nhanh đối với một gã bé tí tẹo, giới hạn ở phạm vị thử nghiệm của chúng tôi. Nhưng bạn có thể hình dung cách nó hoạt động ngay tại đây. Chúng tôi cũng có thể làm phiên bản in 3D có thể vượt chướng ngại vật, rất giống với con gián mà bạn thấy lúc nãy.
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.
Để rồi cuối cùng, gom mọi thứ vào trong rô bốt. Chúng tôi muốn cảm ứng, điện, điều khiển, dẫn động.. tất cả không cần mọi thứ phải đều có nguồn gốc sinh học. Rô bốt cỡ bằng một viên kẹo Tic Tac. Trong trường hợp này, thay vì dùng nam châm hay cơ bắp để di chuyển, chúng tôi dùng hỏa tiễn. Nhờ chất liệu năng lượng dễ gia công, chúng tôi có thể tạo ra thứ rất nhỏ cỡ pixel và có thể gắn những pixel này dưới bụng rô bốt và nó sẽ nhảy lên khi cảm nhận được sự gia tăng ánh sáng.
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.
Phim kế là một trong những phim yêu thích của tôi. Bạn có con rô bốt 300 miligram này nhảy cao khoảng tám centimét trong không trung. Nó có kích cỡ chỉ (4x4x7) milimét. Bạn sẽ thấy một tia sáng chói lúc ban đầu khi động cơ được khởi động, và rô bốt nhào xuống. Lúc có tia sáng chói đó, bạn có thể thấy rô bốt vút lên trong không trung. Không có dây giữ. Không có dây nối. Tất cả mọi thứ đều nằm bên trong, và nó nhảy vì bạn sinh viên bật đèn bàn kế bên nó.
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.
Tôi nghĩ bạn có thể tưởng tượng tất cả những điều thú vị có thể làm với những rô bốt biết chạy, bò, nhảy và lăn với kích thước này. Hãy nghĩ đến đống đổ nát sau một thảm họa tự nhiên như động đất. Tưởng tượng những rô bốt nhỏ bò vào trong đó để tìm kiếm người sống sót. Hãy tưởng tượng nhiều rô bốt nhỏ chạy vòng vòng trên cầu để kiểm tra và đảm bảo rằng nó an toàn ngăn ngừa những vụ gãy cầu như vụ xảy ra vùng ngoại ô Minneapolis năm 2007. Tưởng tượng điều bạn có thể làm nếu cho rô bốt bơi theo dòng máu. Sao? “Chuyến du hành ngoạn mục” Issac Asimov. Ta có thể phẫu thuật mà không cần phải mở toang cơ thể. Hay thay đổi cách ta tạo mọi thứ nếu cho những rô bốt nhỏ xíu này làm việc như những con mối, dựng lên những gò mối 8 mét cực kỳ cao như thế này, rất thoáng mát và hiệu quả như ở Châu Phi và Châu Úc.
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.
Tất cả là tiềm năng có thể được khai thác Tới nay, dù đã có nhiều bước tiến, con đường phía trước vẫn còn dài, hy vọng các bạn ở đây có thể góp phần vào đích đến đó. Cảm ơn rất nhiều.
Thanks very much.
(Vỗ tay)
(Applause)