Vierpotige zwermrobots doorkruisen moeilijk terrein - samen

In de begindagen van de quarantaine gebruikte de Notre Dame-professor en robotica-ingenieur Yasemin Ozkan-Aydin de tijd thuis om robots in elkaar te zetten.

Ozkan-Aydin ontwikkelde collaboratieve beensystemen die als een team over complex terrein manoeuvreren.

Om zich op ruw terrein en in krappe ruimtes te verplaatsen, stelde Ozkan-Aydin voor dat een fysieke verbinding tussen robots de mobiliteit zou kunnen verbeteren. Als een individuele robot bijvoorbeeld een object niet alleen zou kunnen verplaatsen, waarom zou u de robots dan niet een groter, meerbenig systeem laten vormen om de taak te voltooien?

Dat is tenslotte wat mieren doen.

“Als mieren voorwerpen verzamelen of vervoeren, en als iemand een obstakel tegenkomt, werkt de groep samen om dat obstakel te overwinnen. Als er bijvoorbeeld een gat in het pad is, zullen ze een brug vormen zodat de andere mieren erover kunnen reizen - en dat is de inspiratie voor deze studie, "zei Ozkan-Aydin in een recent persbericht . "Door robotica kunnen we de dynamiek en het collectieve gedrag van deze biologische systemen beter begrijpen en onderzoeken hoe we dit soort technologie in de toekomst kunnen gebruiken."

Met een 3D-printer bouwde Ozkan-Aydin vierpotige robots van 15 tot 20 centimeter lang.

Elke robot bevatte een lithium-polymeerbatterij, een microcontroller en drie sensoren. Samen met een lichtsensor zorgen twee magnetische aanraaksensoren aan de voor- en achterkant van elke robot ervoor dat de systemen verbinding kunnen maken.

Vier flexibele poten verminderden de behoefte aan extra sensoren en onderdelen en gaven de robots een niveau van mechanische intelligentie, wat hielp bij interactie met ruw of oneffen terrein.

"Je hebt geen extra sensoren nodig om obstakels te detecteren, omdat de flexibiliteit in de benen de robot helpt om er langs te bewegen", zegt Ozkan-Aydin. “Ze kunnen testen op gaten in een pad, een brug bouwen met hun lichaam; objecten afzonderlijk verplaatsen; of maak verbinding om objecten collectief te verplaatsen in verschillende soorten omgevingen, niet verschillend van mieren."

Ozkan-Aydin begon haar onderzoek voor het onderzoek begin 2020, toen een groot deel van het land werd stilgelegd vanwege de COVID-19-pandemie. Na het printen van elke robot testte Ozkan-Aydin de op insecten geïnspireerde systemen in haar tuin of op de speelplaats met haar zoon.

Meer 'zwerm'-robots op technische briefing

Bekijk hoe NASA drones helpt om als een team te werken.

Bekijk de 'BOBbots' op Tech Briefs TV.

Leer hoe het menselijk brein robotzwermen kan leiden.

De professor van de Notre Dame voerde experimenten uit op verschillende terreinen, zowel natuurlijk als gefabriceerd. De robots manoeuvreerden door en rond gras, mulch, bladeren en eikels, evenals schuimtrappen, shag-tapijten en het ruige terrein van rechthoekige houten blokken die op spaanplaat waren gelijmd.

Wanneer een individuele eenheid vastloopt, stuurt deze een licht naar extra robots om een ​​verzoek om assistentie te tonen. Bij het detecteren van het licht verbinden de hulprobots zich en bieden ze ondersteuning - een duwtje terwijl ze samen lopen - om obstakels met succes te overbruggen terwijl ze collectief werken.

"Nadat de hulprobot de zoekrobot heeft gevonden door de lichtgradiënt te volgen, wordt deze er vanaf de achterkant en de aanraaksensoren op beide robots aan bevestigd, en informeert de robot over de verbindingsstatus," vertelde prof. Ozkan-Aydin Technische slip .

Het onderzoeksteam publiceerde onlangs hun resultaten in Science Robotics .

Aankomend onderzoek zal zich richten op het verbeteren van de controle-, detectie- en stroommogelijkheden van het systeem.

In een korte Q&A met Tech Briefs hieronder legt Ozkan-Aydin uit wat zwermen kunnen doen als deze functies eenmaal geavanceerd zijn.

Tech Briefs :Hoe werken de magnetische aanraaksensoren - wat doen ze, hoe worden ze bestuurd?

Yasemin Ozkan-Aydin :Elke robot heeft twee magnetische connectoren, waaronder twee Neodymium-magneten van zeldzame aardmetalen met N-S-polariteit, aan de voor- en achterkant van de robot. De magnetische connector aan de achterkant is bevestigd aan de staart en de polariteit kan worden omgekeerd (S-N) door de staart omhoog te bewegen. Dus als de staart omhoog is, kunnen twee robots verbinding maken met elkaar en als de staart omlaag is, kunnen ze zich losmaken.

Tech Briefs : Wanneer een "help"-signaal naar een robot wordt gestuurd, hoe weet de hulprobot dan wat hij moet doen en welke acties hij moet ondernemen?

Yasemin Ozkan-Aydin :Het hulpsignaal — het heldere LED-lampje op de achterkant van de robot aanzetten — wordt naar de hulprobots gestuurd wanneer de zoekrobot vast komt te zitten op trappen of ruw terrein. De vastzittende [status] wordt gedetecteerd door de lichtintensiteit gemeten door de zoekrobot. Wanneer de robot vast komt te zitten, kan hij niet naar het doel (lichtbron) bewegen en verandert de lichtintensiteit niet. De hulprobots wachten altijd op het signaal van de zoekrobot.

Natuurlijk zijn er beperkingen in ons systeem. Als een hulprobot bijvoorbeeld buiten de straal van een zoekrobot valt, kan de hulprobot deze niet vinden. In het toekomstige ontwerp moet de communicatie tussen robots worden verbeterd met behulp van andere soorten sensoren, zoals GPS. Naarmate de complexiteit van het systeem echter toeneemt, worden de robots moeilijker te besturen. Hierbij speelt mechanische intelligentie een belangrijke rol.

Tech Briefs :Wat betekent "mechanische intelligentie" hier? Hoe gaan ze precies met elkaar om? Wat gebeurt er als een robot aan een obstakel blijft hangen? Hoe wordt een signaal verzonden naar extra robots?

Yasemin Ozkan-Aydin :Mechanische intelligentie betekent dat een mechanisme reageert op de omgeving, zich aanpast aan nieuwe externe situaties of automatisch bepaalde functies uitvoert zonder enige zintuiglijke feedback of begeleiding van een controller. Elke robot heeft vier richtingsflexibele poten en een staart. Wanneer het been of de staart een obstakel raakt, buigt het naar achteren en kruist het de obstakels. Nadat het het obstakel is gepasseerd, trekt een terugstelveer het been naar zijn oorspronkelijke positie. Deze passieve buiging vergroot ook het contactoppervlak, waardoor een individueel been of de staart kan omgaan met een verandering van terreinruwheid, het grondcontact verliezen tijdens de standfase, of op een obstakel stappen of een obstakel raken tijdens de luchtfase.

Alle robots hebben twee schakelaars zoals aanraaksensoren om de verbindingsstatus te detecteren:één aan de voorkant en één aan de achterkant van de robot. Wanneer twee robots zijn verbonden, raakt de koepelvormige duwer die aan de staart is bevestigd, zowel de sensoren aan de staart van de voorste robot als aan de kop van de achterste robot. Hoewel er geen communicatie op hoog niveau is (bijvoorbeeld het draadloos verzenden van GPS-coördinaten) tussen robots, laten de aanraaksensoren elke robot weten of deze is verbonden met de andere robots. Afgezien van de aanraaksensoren, is er een lichtsensor of fototransistor aan de voorkant van elke robot. Deze sensor wordt gebruikt om de lichtintensiteit van de omgeving te meten en voor lokale communicatie tussen robots.

Tech Briefs :Zou je een of twee van de praktische toepassingen in de praktijk kunnen versterken - wat zou de zwerm kunnen bereiken en hoe?

Yasemin Ozkan-Aydin :Robots met poten met poten kunnen echte samenwerkingstaken uitvoeren, zoals zoek- en reddingsoperaties, landbouwtoepassingen (zoals planten en oogsten, milieumonitoring en gewasinspectie, enz.), collectief objecttransport en ruimteverkenning.

Tech Briefs :Wat betreft het aandrijven ervan, zou je je een soort energie-oogst kunnen voorstellen, bijvoorbeeld op basis van de beweging?

Yasemin Ozkan-Aydin :Dit is een zeer belangrijk punt dat moet worden verbeterd in toekomstig ontwerp. Misschien kan een energieoogstmechanisme (zoals piëzo-elektrische materialen) aan de poten van de robots worden bevestigd, en kunnen ze energie oogsten tijdens het lopen, of kan elke robot een zonnepaneel hebben om hun batterijen op te laden. Een andere optie is dat slechts één van de robots kan worden uitgerust met een mechanisme voor het oogsten van energie, om de totale kosten te verlagen, en het vermogen kan overdragen aan de andere robots.

Tech Briefs :Wat inspireerde deze inspanning, vooral natuurlijke modellen?

Yasemin Ozkan-Aydin :Deze studie is geïnspireerd op dieren met meerdere poten, zoals duizendpoten of miljoenpoten, die zich effectief kunnen verplaatsen op diverse terreinen met flexibele lichamen en ledematen en mierencollectieven die zichzelf kunnen organiseren en structuren kunnen creëren, zoals bruggen, om problemen op te lossen.

Tech Briefs :Hoe wilt u de robots verbeteren?

Yasemin Ozkan-Aydin :Momenteel worden de robots beperkt door een beperkt communicatiebereik. Met verbeterde communicatie tussen individuen verwachten we dat de eenheden (viervoeters) in de zwerm goed kunnen coördineren en hun gangen kunnen aanpassen aan de omgevingsomstandigheden of taken die ze uitvoeren. Bovendien kunnen de afmetingen van de robots worden aangepast aan de uit te voeren taken.

Wat denk je? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.