Vierbeiniger Laufroboter kleiner als ein Ameisenkopf

Soweit wir wissen, der kleinste Laufroboter der Welt

Spectrum IEEE schrieb bereits vor einigen Jahren über die kleinsten damals existierenden vierbeinigen Roboter - nur 20 mm groß, mit einer Beinhöhe von 5,6 mm und einem Gewicht von 1,5 g. Der Entwickler Ryan Saint-Pierre vom Labor von Sarah Bergbreiter an der University of Maryland zeigte uns auch ein Foto eines noch kleineren Roboters mit einem Gewicht von nur 100 mg. Als wir dies alles auf der ICRA 2016-Konferenz sahen, fragten wir Ryan, ob er den Weg der Reduktion weiter beschreiten würde:

"Es ist immer interessant, das Problem der Herstellung kleinstmöglicher Roboter zu lösen", sagte er uns. - Während ich daran arbeite, einen Roboter nach dem gleichen Schema zu erstellen, der 2,5 mm lang ist und eine Größenordnung kleiner ist als die, die wir auf der ICRA vorgestellt haben. Kleinere Roboter lassen sich leichter in Orte eindringen, an denen große nicht kriechen können, und eine Vielzahl von Größen erhöht ihre Nützlichkeit. “

Es stellte sich jedoch heraus, dass eine Bestellung nicht ausreichte, und stattdessen entwickelte Saint-Pierre einen vierbeinigen Roboter, der zehnmal weniger als geplant war: Er wiegt nur ein Milligramm und weniger als der Kopf einer Ameise.

Ryan hat uns Videos eines funktionierenden Roboters geschickt, obwohl es schwer vorstellbar ist, wie klein er ist. Stellen Sie sich für den Maßstab eine Ameise vor - sie ist nicht sehr groß, nur ein paar Zentimeter lang und die Größe des Mikroroboters beträgt 2,5 mm × 1,6 mm × 0,7 mm. Seine Schaltung ähnelt Robotern mit rotierenden Gliedmaßen wie RHex , deren Masse millionenfach größer ist als die dieses Mikrotetrapoden .


Wie seine Vorgänger ist dieser Roboter zu klein, um herkömmliche Elektronik oder Motoren zu verwenden. Seine Beine werden durch äußere Magnetfelder gesteuert, die winzige kubische Magnete beeinflussen, die in die Beine eingebettet sind. Durch rotierende Magnetfelder drehen sich die Magnete, wodurch die Beine eine Rotationsgeschwindigkeit von bis zu 150 Hz erreichen. Indem Sie die Magnete auf unterschiedliche Weise in die Beine einsetzen, können Sie verschiedene Gangarten erzielen. Die maximale Geschwindigkeit des Roboters beträgt beeindruckende 37,3 mm / s oder 14,9 Körperlängen pro Sekunde, und überraschenderweise erwies sich der Roboter als ziemlich belastbar, nachdem er eine Million Betriebszyklen "ohne sichtbare Anzeichen von Verschleiß oder verminderter Effizienz" überstanden hatte.

Um mehr zu erfahren, einschließlich realer Beispiele für den Einsatz solcher Roboter, haben wir per E-Mail mit Ryan Saint-Pierre gesprochen.

IEEE-Spektrum : Können Sie Ihre Roboter mit anderen kleinen Laufrobotern vergleichen?

Ryan Saint-Pierre : In dieser Arbeit wird einer der kleinsten und schnellsten Mikroroboter vorgestellt, die Beine zur Bewegung verwenden. Es gibt kleinere Mikroroboter, aber normalerweise verwenden sie keine Beine für die Bewegung. Diese Arbeit trägt dazu bei, das Verständnis der Bewegungsdynamik im Milligramm-Maßstab sowohl in der Robotik als auch in der Biologie zu verbessern.


Ein Milligramm-Roboter neben dem Kopf einer getrockneten tropischen Ameise Paraponera Clavata

Das Papier behauptet, dass die Ausrichtung der Magnete in den Beinen zu einer hüpfenden Bewegungsart des Roboters führt. Warum wurde ein solcher Gang gewählt und was könnten die potenziellen Vorteile eines anderen Gangs sein?

Der Gang kann mechanisch eingestellt werden, indem die Ausrichtung der Magnete relativ zueinander gewählt wird. Anfangs habe ich die Sprungoption gewählt, bei der alle vier Magnete in eine Richtung gerichtet sind, um die manuelle Montage und Anordnung der Magnete zu erleichtern. In nachfolgenden Versionen habe ich Trab verwendet, wenn die diagonale Anordnung der Magnete übereinstimmte. Der Gang erweist sich als wichtig, wenn Sie sich in glattem und rauem Gelände bewegen, und wahrscheinlich ist es beim Ändern der Oberfläche erforderlich, den Gang zu ändern, aber in dieser Phase des Projekts ist dies nicht möglich.

Was ist der potenzielle Einsatz von vierbeinigen Robotern dieser Größe?

Das allererste ist, die Dynamik der Bewegung mit Füßen im Milligramm-Maßstab zu verstehen und repräsentativere rechnerische und physikalische Modelle für das Laufen von Ameisen zu erhalten. Ein besseres Verständnis der Grundprinzipien der Bewegung im Milligramm-Maßstab wird für die Entwicklung und Verwaltung autonomer Roboter dieser Größenordnung hilfreich sein.

Können Sie den Roboter noch kleiner machen? Was sind die Vorteile und Herausforderungen?

Auf jeden Fall möglich. Es hängt alles von der verfügbaren Technologie für die Herstellung von magnetischem Material und dem Körper des Roboters ab. Wenn Sie jedoch die Größe reduzieren und das Schema der Kraftübertragung auf die Beine gleich lassen, können Probleme auftreten. An den Gelenken beginnen Reibungskräfte zu dominieren, was eine Erhöhung des Drehmoments zum Drehen der Beine erfordert und die Bewegungseffizienz verringert. Eine Verringerung der Größe im Vergleich zum aktuellen Milligramm erfordert eine Änderung der Motorstrategie. Wenn wir jedoch den Maßstab reduzieren, ohne das Arbeitsschema zu ändern und Anstrengungen zu übertragen, erhalten wir Ideen zur Skalierung der Bodenbewegung mit Hilfe von Beinen, werden grundlegende Bewegungseinschränkungen aufdecken und Ideen zum evolutionären Druck in biologischen Systemen geben.

Ich gebe zu, ich bin enttäuscht über das Fehlen von Plänen, diese kleinen Roboter sofort in unseren Körper zu schicken, damit sie dorthin rennen und alles reparieren. Die Ziele der nahen Zukunft, die mit der Untersuchung der Bewegung von Robotern mit Beinen im kleinen Maßstab verbunden sind, können jedoch zu sehr kleinen Schritten in diese Richtung werden.

Die Arbeit „Ein 3D-Milligramm-Roboter mit Beinen, die sich mit einer Geschwindigkeit von 15 Körperlängen pro Sekunde bewegen“ von Ryan Saint-Pierre, Walker Gosrich und Sarah Bergbreiter von der University of Maryland (die jetzt an der Carnegie Mellon University arbeiten) wurde am vorgestellt 2018 Hilton Head Workshops zu Festkörpersensoren, Aktuatoren und Mikrosystemen, auf denen sie für ihre beste Arbeit ausgezeichnet wurde.