Mikrobotik

Mikrobotik ist das Gebiet der Miniaturrobotik, insbesondere von mobilen Robotern mit charakteristischen Abmessungen von weniger als 1 mm. Der Begriff kann auch für Roboter verwendet werden, die Komponenten im Mikrometerbereich handhaben können.

Geschichte
Mikroboter wurden dank des Aufkommens des Mikrocontrollers im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts und des Auftauchens mechanischer Miniatursysteme auf Silizium (MEMS) geboren, obwohl viele Mikroboter kein Silizium für andere mechanische Komponenten als Sensoren verwenden. Die erste Recherche und Konzeption derartiger kleiner Roboter wurde in den frühen 70er Jahren in (damals) klassifizierter Forschung für US-Geheimdienste durchgeführt. Zu den damals geplanten Anträgen gehörten Rettungsdienste für Kriegsgefangene und elektronische Abfangmissionen. Die zugrunde liegenden Technologien zur Unterstützung der Miniaturisierung waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht vollständig entwickelt, so dass der Fortschritt bei der Prototypentwicklung aufgrund dieser frühen Berechnungen und des Konzeptentwurfs nicht unmittelbar zu Stande kam. Ab 2008 verwenden die kleinsten Mikroroboter einen Scratch-Drive-Aktuator.

Die Entwicklung von drahtlosen Verbindungen, insbesondere von Wi-Fi (dh in Domotik-Netzwerken), hat die Kommunikationskapazität von Mikrobotern und damit ihre Fähigkeit, sich mit anderen Mikrobotern zu koordinieren, für komplexere Aufgaben koordiniert, erheblich erhöht. In der Tat hat sich die Forschung in jüngster Zeit auf die Mikrobot-Kommunikation konzentriert, einschließlich eines 1.024 Roboterschwarms an der Harvard University, der sich in verschiedene Formen zusammenfügt. und Herstellung von Microbots bei SRI International für das DARPA-Programm “MicroFactory for Macro Products”, mit dem leichte, hochfeste Strukturen gebaut werden können.

Entwurfsüberlegungen
Während das Präfix “Mikro” subjektiv verwendet wurde, um klein zu bedeuten, vermeidet die Standardisierung auf Längenskalen Verwirrung. Ein Nanoroboter würde also charakteristische Abmessungen bei oder unter 1 Mikrometer aufweisen oder Komponenten im Größenbereich von 1 bis 1000 nm manipulieren. Ein Mikroroboter hätte charakteristische Abmessungen von weniger als 1 Millimeter, ein Milliroboter hatte Abmessungen von weniger als einem cm, ein Miniroboter hatte Abmessungen von weniger als 10 cm (4 Zoll) und ein kleiner Roboter hatte Abmessungen von weniger als 100 cm (39 Zoll). .

Aufgrund ihrer geringen Größe sind Mikroboter möglicherweise sehr billig und könnten in großer Zahl (Schwarmrobotik) verwendet werden, um Umgebungen zu erkunden, die für Menschen oder größere Roboter zu klein oder zu gefährlich sind. Es wird erwartet, dass Mikroboter bei Anwendungen nützlich sein werden, beispielsweise bei der Suche nach Überlebenden in eingestürzten Gebäuden nach einem Erdbeben oder beim Krabbeln durch den Verdauungstrakt. Was Mikrobotern an Muskelkraft oder Rechenleistung fehlt, können sie durch die Verwendung einer großen Anzahl wettmachen, wie in Schwärmen von Mikrobotern.

Die Art und Weise, wie sich Mikroroboter bewegen, hängt von ihrem Zweck und der erforderlichen Größe ab. Bei Größen im Submikronbereich fordert die physische Welt ziemlich bizarre Wege, sich zu bewegen. Die Reynolds-Zahl für Flugroboter ist nahe an der Einheit; Die viskosen Kräfte dominieren die Trägheitskräfte, so dass das „Fliegen“ die Viskosität der Luft anstelle des Bernoulli-Auftriebsprinzips verwenden kann. Roboter, die sich durch Flüssigkeiten bewegen, müssen rotierende Flagellen wie die bewegliche Form von E. coli erfordern. Hopfen ist heimlich und energieeffizient; Dadurch kann der Roboter die Oberflächen einer Vielzahl von Terrains befahren. In zukunftsweisenden Berechnungen (Solem 1994) wurden mögliche Verhaltensweisen basierend auf physikalischen Realitäten untersucht.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Mikroroboters besteht darin, Bewegung mit einer sehr begrenzten Stromversorgung zu erreichen. Die Mikroroboter können eine kleine, leichte Batteriequelle wie eine Knopfzelle verwenden oder Energie aus der Umgebung in Form von Vibration oder Lichtenergie aufnehmen. Mikroroboter verwenden jetzt auch biologische Motoren als Energiequellen, wie etwa Serratia marcescens (Flagellated Serratia marcescens), um chemische Energie aus der umgebenden Flüssigkeit zu ziehen, um das Robotergerät zu betätigen. Diese Bioroboter können direkt durch Stimuli wie Chemotaxis oder Galvanotaxis gesteuert werden, wobei mehrere Kontrollschemata verfügbar sind. Eine beliebte Alternative zu einer Bordbatterie besteht darin, die Roboter mit extern induzierter Energie zu betreiben. Beispiele sind die Verwendung elektromagnetischer Felder, Ultraschall und Licht zur Aktivierung und Steuerung von Mikrorobotern.

Größe und Definition
Das Präfix “micro” wurde häufig verwendet, um kleine Roboter subjektiv zu bezeichnen, jedoch sehr unterschiedliche Größen. Ein Projekt zur Standardisierung von Namen, die Größenskalen entsprechen, vermeidet Verwirrung. So:

Ein Nanoroboter hat Abmessungen von oder weniger als 1 Mikrometer oder ermöglicht die Bearbeitung von Bauteilen im Bereich von 1 bis 1000 nm.
Ein Mikroroboter hätte charakteristische Abmessungen von weniger als 1 Millimeter.
ein Milliroboter hätte Abmessungen von weniger als einem cm (er wird in Millimetern gemessen)
ein Miniroboter hätte Abmessungen von weniger als 10 cm,
Ein kleiner Roboter hätte Abmessungen von weniger als 100 cm.

Besondere Bedingungen für die Entwicklung von Mikrorobotika
Die Entwicklung von Mikrobotern erfordert ein besseres Verständnis und eine Kontrolle bestimmter physikalischer Phänomene, die auf diesen Maßstäben im Spiel sind, da ein Mikroroboter Kräften unterworfen ist, die in mikrometrischen Maßstäben von großer Bedeutung sind und ein Objekt mit größeren Abmessungen nicht stören würden.

Van der Waals Kraft,
statische Elektrizität,
Oberflächenspannung,
Atemluft,
verstärkte und brutale Auswirkungen von Sonnenwärme oder -kälte, Kondensation usw.).

Mikrorobotik umfasst die Untersuchung von Herstellungsprozessen (Mikrosysteme oder sogar Nano-Systeme einschließlich Mikro- oder Nanoelektronik), die für sehr kleine Elemente erforderlich sind.

Die Biomimikry ist eine Disziplin, die Mikrorobotik inspiriert,

Mikromechanik
Es muss dem Roboter ermöglichen, sich zu bewegen und mit seiner Umgebung zu interagieren, zum Beispiel:

Von Haptiken, die es dem Roboter ermöglichen, an einem Roboter zu haften und möglicherweise Gegenstände zu ergreifen, einen anderen Mikroroboter zusammenzubauen oder auf einem Substrat zu verankern;
von Mikromotoren, mit denen sich mobile Elemente entlang eines oder mehrerer Freiheitsgrade bewegen können;
Es werden Mikrogyroskope oder alternative Geräte mit ähnlichen Funktionen gesucht.
innovative Reisemöglichkeiten; Zum Beispiel können sich Mikrobots, wie das bei Erdbeeren auch der Fall ist, bereits auf dem Wasser bewegen, indem sie die Oberflächenspannung dieses flüssigen “Substrats” ausnutzen. Wir versuchen auch, die Trottel der Geckos zu imitieren, damit ein Roboter von mehreren Gramm oder Dutzend Gramm an der Decke oder auf einer beliebigen Unterlage laufen kann (Programm Geckohair Nanolab der Carnegy Mellon University). Die Schüler arbeiten an Haftsystemen, die sich an unterschiedliche Steigungen anpassen und einen hängenden Gang ermöglichen (an der Decke, unter einem Blech …).

Biomimetika
Eine Inspirationsquelle für die Robotik ist die Natur selbst, die sehr viele Mechanismen und Verhaltensweisen getestet hat, darunter auch einige interessierte Robotik. Das Nachahmen der Funktionsweise neuronaler Netze und Nervenzentren sowie zentraler Generatoren des Rückenmarks von primitiven Tieren kann bestimmte Mechanismen wie Gehen, Schwimmen, Laufen, Krabbeln bereits imitieren. Die Muskelgruppen werden durch Servomotoren ersetzt, aber sie werden animiert, indem sie die Bewegungen und den Rhythmus des Gehens, Schwimmens, Krabbens oder Laufens entsprechend den Pulsen reproduzieren, die an Computermikroschaltungen verteilt werden, die das Nervennetzwerk nachahmen.

Imitation geht manchmal noch weiter. zum Beispiel:

Nanolab arbeitet an der Identifizierung und Vervielfältigung hochgradig klebender kolloidaler Moleküle, die von Tieren synthetisiert werden (Schnecken, Schnecken, einige Coleoptera können dank solcher Moleküle stark, aber vorübergehend an einem Träger haften). Es entwickelt ein Instrumentarium, das an die Messung der Leistung dieser Art von Klebstoff angepasst ist.
Das Nanolab hat einen kleinen Panzer-Roboter mit klebenden Raupen hergestellt, der durch Ankleben an die Wände klettern kann.
Nanolab hat auch adhäsive Mikrofasern entwickelt, die eine sehr starke Haftung auf einer nicht horizontalen Ebene ermöglichen. Eine Leistung, die sich weit davon entfernt abspielt, ist jedoch die Fähigkeit lebender Systeme, zu heilen, zu ernähren und sich zu reproduzieren. Kapazitäten, die auch neue ethische Fragen aufwerfen das geht über das übliche Feld der Bioethik hinaus.
Ein vom Salamander inspirierter Roboter entwickelt sich leicht von einer aquatischen zu einer terrestrischen Umgebung. Ein Huhn kann reflexartig weiterlaufen, wenn sein Kopf abgeschnitten ist, was zeigt, dass die Wirbelsäule und das Rückenmark die wesentlichen motorischen Zentren enthalten.
Roboter (Salamander oder Schlange) ahmen das Krabbeln nach 8. Nach diesem Prinzip hat Joseph Ayers (Northeastern University in Boston) auch Roboter entwickelt, die die Bewegungen von Neunauge und Hummer nachahmen.

Risiken und Einschränkungen
Eines der Risiken von Biomimetika ist, dass Roboter zu sehr mit Tieren verwechselt werden und von echten Raubtieren gejagt werden.

Mikroelektronik
Der Mikroprozessor ermöglicht die Ausführung von Computersoftware, die dem Roboter Autonomie gibt. Mikroprozessoren mit sehr geringer Leistung werden für Mikroboter benötigt, da sie leicht bleiben müssen und keine wesentliche Energiequelle mit sich führen können.

Biomechanik
Den Forschern ist es gelungen, einen Roboter zu animieren oder genauer auf Hindernisse oder Licht durch Kulturen von Rattenneuronen zu reagieren.

Mikro- oder Nanosensoren
Sie müssen es dem Roboter ermöglichen, sich in seiner Umgebung zu positionieren (oder zu lokalisieren);
Dies sind zum Beispiel Licht reagierende Zellen, Temperatursensoren, Drucksensoren, Wellensensoren, Funkantennen und so weiter. sogar eine Mikrokamera.

Mögliche Verwendungen
Es wird gehofft, dass sie automatisch Aufgaben ausführen können, die gefährlich, schmerzhaft, sich wiederholend oder für den Menschen unmöglich sind (in kleinen Räumen, im Vakuum), oder Aufgaben, die einfacher sind, die sie jedoch besser erfüllen, als dies ein Mensch tun würde.

Interessenten meinen, dass sie als verwendet werden können

industrieller und technischer Roboter (der in der Lage ist, zum Beispiel sehr kleine Teile oder Mechanismen zu bauen, das Innere einer Maschine zu diagnostizieren oder zu reparieren, ohne sie zu zerlegen, eine Rohrleitung von innen zu inspizieren usw.) in Abwesenheit von Luft usw.)
Roboter-Staubsauger oder Haushalt kleiner und diskreter als die derzeit existierenden
verspielter Roboter (Roboter lehren zu programmieren … Im Moment existieren sie nur in Form von Spielzeug mit dem Bild von Robotern, die sich aber selbst nicht darstellen) oder pädagogische Roboter vom Typ BEAM (Akronym “Aesthetic and Mechanical Electronic Biology”) Roboter, die nicht sehr intelligent sind, ohne Mikrocontroller oder eingebettete Programme jeglicher Art; Eine Feder oder ein einfaches Gummiband kann für kleine experimentelle Projekte eine mechanische Energiequelle sein.
Medizinischer Roboter oder medizinische Hilfe. Ein Mikroroboter könnte vielleicht eines Tages in einem lebenden Organismus operieren.
Räumliche Mikrosonden oder Mikroroboter werden in den Weltraum geschickt, um das belegte Volumen und die Mitnahmelast bei der Weltraumforschung zu sparen

Autonomie
Um autonom zu sein, muss der Mikroroboter Folgendes haben:

ausreichend effiziente Sensoren (Mikro- oder Nanosensoren)
Energieautonomie, die effiziente Mikrobatterien, einen geringen Energieverbrauch oder die Fähigkeit zur Suche und Nutzung einer externen Energiequelle erfordert (Solar, Mikrowellenstrahl, Wasserstoffquelle, die ihre Wasserstoffbrennstoffzelle liefert, biomimetische Fähigkeit, Energie aus organischem Material zu gewinnen. Eine Möglichkeit, Energie zu sparen, besteht darin, sicherzustellen, dass die verschiedenen Funktionen eines Mikroroboters nur bei Bedarf und optimal aktiviert werden. Der Rest der Zeit, in der sie sich in Bereitschaft befinden, verhindert nicht, dass sie sich passiv bewegt (vom Wind getragen, der Strom, ein Fahrzeug …).
ein eingebettetes Intelligenzsystem (einzeln oder kollektiv bei Robotern mit komplementären Funktionen, die wie Ameisen eines Ameisenhügels zusammenarbeiten) und / oder Kommunikation, die Interaktionen oder Fernsteuerung ermöglicht.
Das Unterrichtsprogramm muss so ausgereift sein, dass es auf das Auftreten einfacher Ereignisse und Veränderungen in der Umgebung (Reize) reagiert und darauf (einzeln oder gemeinsam, wie dies beispielsweise bei Ameisen in einem Ameisenhaufen der Fall ist) durch geeignete Reaktionen darauf reagiert.

Mikroboter in Literatur und Kino
Verschiedene Autoren von Science Fiction und Kino verwenden in ihren Romanen, Nachrichten oder Filmen Mikro- oder sogar Nanobots, beispielsweise in Form von Mikrodrohnen.