Robotingeniører lager cyborg-kakerlakker, robofly og mer

Inspirert av insekter lager robotingeniører maskiner som kan hjelpe til med søk og redning, pollinere planter og snuse opp gasslekkasjer

(Kenjiro Fukuda/RIKEN Thin-Film Device Laboratory)

Cyborg-kakerlakker som finner overlevende fra jordskjelv. En «robofly» som snuser opp gasslekkasjer. Flyvende lynfeil som bestøver gårder i verdensrommet.

Dette er ikke bare buzzy ideer, de er i ferd med å bli virkelighet.

Robotingeniører leter gjennom insektverdenen etter inspirasjon. Noen fester 3D-printede sensorer på levende Madagaskar susende kakerlakker, mens andre lager helt robotiske insekter inspirert av måten insekter beveger seg og flyr på.

Tunge roboter er begrenset i hva de kan gjøre. Å bygge mindre og smidigere roboter, lik hvordan insekter beveger seg og oppfører seg, kan utvide robotenes evner enormt.

“Hvis vi tenker på insektfunksjonene som dyr ikke kan gjøre,” sa Kevin Chen, en assisterende professor i elektroteknikk ved MIT, “inspirerer det oss til å tenke på hva mindre roboter i insektskala kan gjøre, at større roboter ikke kan gjøre .”

Google trener robotene sine til å bli mer som mennesker

De fleste fremskrittene er i forskningsfasen, år fra kommersialisering. Men de presenterer fristende løsninger for en rekke bransjer, inkludert beredskap, jordbruk og energi.

Forskningen øker tempoet av flere grunner, sa eksperter. Elektroniske sensorer blir mindre og bedre, hovedsakelig på grunn av forskning på smartklokker. Fremstillingsteknikker har avansert, noe som gjør det lettere å konstruere små deler. Småbatteriteknologien blir også bedre.

Men flere utfordringer gjenstår. Små roboter kan ikke gjenskape en større robots arbeidsmengde. Selv om batteriene blir bedre, må de være mindre og kraftigere. Miniatyrdeler som konverterer energi til robotbevegelse, kalt aktuatorer, må bli mer effektive. Sensorer må være enda lettere.

“Vi starter med å se på hvordan insekter løser disse problemene, og vi gjør store fremskritt,” sa Sawyer B. Fuller, en assisterende professor som leder Autonomous Insect Robotics Laboratory ved University of Washington. “Men det er mange ting … vi har ikke ennå.”

Mye av insektrobotforskningen kan deles inn i noen få områder, sa forskere. Noen forskere bygger en hel robot for å etterligne bevegelsen og størrelsen til ekte insekter, for eksempel bier og lynfeil. Andre setter elektronikk på levende insekter og kontrollerer dem, og skaper egentlig cyborgs (vesener som har både organiske og mekaniske aspekter). Mens noen eksperimenterer med en hybrid – kobler deler av et levende insekt, for eksempel en antenne, til en maskinrobot.

Robotingeniører begynte å se etter insekter for inspirasjon for rundt 10 til 15 år siden. På den tiden var det få forskningslaboratorier som studerte det. “For ti år siden synes jeg ærlig talt at det hørtes mer ut som science fiction,” sa Chen.

Men med årene har flere forskere kommet inn i verdensrommet, hovedsakelig fordi teknologien går fremover. Mye av aktiviteten har vært drevet av utviklingen innen karbonfiber og lasere, som kan lage “veldig fine funksjoner og komplekse strukturer” i liten skala, la Chen til.

Elektroniske sensorer har også blitt bedre, i stor grad fordi smarttelefoner og smartklokker har ansporet forskning til å lage mindre elektroniske deler.

“Hvis du tenker på smarttelefonen din, er det så mange sensorer i den,” sa Chen. “Du kan virkelig utnytte mange av disse sensorene eller sette disse sensorene inn i roboter i mikroskala.”

(Video: Kenjiro Fukuda/RIKEN Thin-Film Device Laboratory)

Kenjiro Fukuda, en forsker ved Japans Riken Institute Thin-Film Device Laboratory, leder et team som fester 3D-printede sensorer på levende Madagaskar susende kakerlakker. Sensorene fungerer som en liten ryggsekk som inneholder solcellepaneler for strøm; en blåtannsensor for fjernkontroll og spesialiserte datamaskiner som kobles til kakerlakkens mage og sender bittesmå støt for å lede den til venstre eller høyre.

Fukuda ser for seg at disse cyborg-kakerlakkene hjelper i nødssituasjoner, for eksempel et jordskjelv. Overlevende kan være i ruinene og vanskelig å få øye på med det blotte øye, sa han.

Kakerlakkene kunne fjernstyres og slippes ut i ruinene med karbondioksidsensorer og kameraer på ryggen, og hjelpe til med å finne folk som trenger å spares.

“Store mennesker kan ikke gå inn under ruinene,” sa Fukuda. “Små insekter eller små roboter kan.”

Fukuda sa at han også kunne bruke denne tilnærmingen på andre insekter med store skjell, som biller og sikader. Men det må gjøres mange forbedringer i batteridesign og hvor mye strøm delene bruker før denne løsningen implementeres i det virkelige liv, sa han.

Når det kommer til cyborginsekter, er ikke alle begeistret. Jeff Sebo, professor i dyrebioetikk ved New York University, sa at han bekymrer seg for hvordan levende insekter kan føle seg kontrollert av mennesker mens de bærer tung teknologi. Det er uklart om de føler smerte eller nød av det, sa han, men det betyr ikke at mennesker skal ignorere det.

“Vi gir ikke engang leppeservice til deres velferd eller rettigheter,” sa han. “Vi går ikke engang gjennom forslaget om å ha lover eller retningslinjer eller revisjonsstyrer på plass slik at vi halvhjertet kan prøve å redusere skadene vi påfører dem.”

Chen lager flyvende lynfeilroboter. Dette er helt robotmaskiner som etterligner måten lynfeil beveger seg, kommuniserer og flyr.

Inspirert av måten lynfeil bruker elektroluminescens for å gløde og kommunisere i det virkelige liv, bygde Chens team myke kunstige muskler for flyging som kontrollerer robotvinger og sender ut farget lys under flyturen.

Dette kan gjøre det mulig for en sverm av disse robotene å kommunisere med hverandre, sa Chen, og kan brukes til å pollinere avlinger i vertikale gårder eller til og med i verdensrommet.

“Hvis jeg vil dyrke avlinger i verdensrommet, [I want] pollinering, sa han. “I det scenariet ville en flygende robot være mye, mye mer egnet enn å sende bier.”

Fuller sa at han ser på insekter når han lager små roboter fordi det er langt bedre enn å stole på fantasien hans. “Du ser insekter som gjør gale ting som du aldri ville kunne gjøre på menneskelig skala,” sa han. “Vi ser bare på hvordan insekter gjør det.”

(Video: Matt Stone/University of Washington)

(Video: University of Washington)

Fullers team jobber med å konstruere en robotflue. I likhet med cyborg-kakerlakkene kunne fluene brukes i søk-og-redningsoppdrag. De kan også slippes løs for å fly rundt og se etter kjemiske lekkasjer i luften eller sprekker i rørinfrastrukturen.

“Du åpner en koffert og disse små robotfluene flyr rundt,” sa han. “Så, når du vet hvor lekkasjen er, kan du lappe den.”

Fuller sa at han erkjenner at det er en lang vei å gå før robotene hans kan gjøre det. Det vil være vanskelig å miniatyrisere alle sensorer, kraftpakker og deler som trengs for at roboter skal flytte og sende data tilbake til teamene. Å lage batterier som er små nok, men kraftige nok til å avgi energi som trengs for robotfunksjoner, er en skremmende utfordring. Stabilisering av roboter som kan slå med vingene og fly, men også bære sensorer, vil kreve mer designforskning.

Til tross for vanskelighetene, han sa at forskere også jobber med å ta deler av et levende insekt, for eksempel møllantenner, og feste dem til en robot som en dag kan lese data fra den. Denne hybridmetoden kan være et søtt sted for insektrobotforskere, sa han.

“Jeg tror det er veien å gå,” la Fuller til. “Ta biter av biologien som virkelig fungerer bra, og gjør resten robotisk.”

Leave a Comment