Микроботы

Microbotics – это область миниатюрной робототехники, в частности мобильных роботов с характерными размерами менее 1 мм. Этот термин также может использоваться для роботов, способных обрабатывать компоненты размера микрометра.

история
Микроботы рождались благодаря появлению микроконтроллера в последнее десятилетие 20-го века и появлению миниатюрных механических систем на кремнии (MEMS), хотя многие микроботы не используют кремний для механических компонентов, отличных от датчиков. Самые ранние исследования и концептуальные разработки таких малых роботов были проведены в начале 1970-х годов в (тогда) секретном исследовании для американских спецслужб. В то время были предусмотрены предусмотренные в то время заявки на помощь в целях спасения заключенных и электронные перехватывающие миссии. В то время базовые технологии поддержки миниатюризации не были полностью разработаны, поэтому прогресс в разработке прототипов не был сразу же из этого раннего набора вычислений и концептуального дизайна. Начиная с 2008 года, самые маленькие микророботы используют Привод Scratch Drive.

Развитие беспроводных соединений, особенно Wi-Fi (т. Е. В домашних сетях), значительно увеличило коммуникационную способность микроботов и, следовательно, их способность координировать работу с другими микроботами для выполнения более сложных задач. Действительно, многие недавние исследования были сосредоточены на коммуникациях с микроботами, в том числе 1024 робота в Гарвардском университете, который собирается в различные формы; и производство микроботов в SRI International для программы DARPA «MicroFactory for Macro Products», которая может создавать легкие высокопрочные структуры.

Конструктивные соображения
В то время как префикс «микро» использовался субъективно, чтобы означать малый, стандартизация по шкалам длин позволяет избежать путаницы. Таким образом, наноробот будет иметь характерные размеры на уровне или ниже 1 микрометра или манипулировать компонентами в диапазоне размеров от 1 до 1000 нм. Микроробот имел бы характерные размеры менее 1 мм, миллиробот имел бы размеры менее чем на см, у мини-робота были бы размеры менее 10 см (4 дюйма), а маленький робот имел бы размеры менее 100 см (39 дюймов) ,

Из-за небольшого размера микроботы потенциально очень дешевы и могут использоваться в больших количествах (роботы роя) для изучения сред, которые слишком малы или слишком опасны для людей или более крупных роботов. Ожидается, что микроботы будут полезны в таких приложениях, как поиск выживших в разрушенных зданиях после землетрясения или сканирование через пищеварительный тракт. Какие микроботы лишены мускулатуры или вычислительной мощности, они могут компенсировать, используя большие числа, как в роях микроботов.

Способ передвижения микророботов зависит от их назначения и необходимого размера. При субмикронных размерах физический мир требует довольно причудливых способов обойти. Число Рейнольдса для бортовых роботов близко к единице; вязкие силы доминируют над инерционными силами, поэтому «полет» может использовать вязкость воздуха, а не принцип Бернулли. Роботам, движущимся через жидкости, могут потребоваться вращающиеся жгутики, такие как подвижная форма E. coli. Хоппинг скрыт и энергоэффективен; он позволяет роботу согласовывать поверхности различных ландшафтов. Пионерские расчеты (Solem 1994) исследовали возможные поведения, основанные на физических реалиях.

Одной из основных проблем при разработке микроробота является достижение движения с использованием очень ограниченного источника питания. Микророботы могут использовать небольшой легкий источник батареи, такой как монетная ячейка, или могут убирать энергию из окружающей среды в виде вибрации или легкой энергии. Микророботы также используют биологические двигатели в качестве источников энергии, таких как жгутиковые Serratia marcescens, для получения химической энергии из окружающей жидкости для приведения в действие роботизированного устройства. Эти биороботы могут непосредственно контролироваться стимулами, такими как хемотаксис или гальванотаксис, с несколькими доступными схемами контроля. Популярной альтернативой бортовой батарее является питание роботов, использующих внешнюю энергию. Примеры включают использование электромагнитных полей, ультразвука и света для активации и управления микро роботами.

Размер и определение
Префикс «micro» был использован много, чтобы субъективно обозначать маленькие роботы, но очень разные размеры. Проект стандартизации имен, соответствующих шкалам размеров, позволяет избежать путаницы. Так:

наноробот имеет размеры, равные или меньше 1 микрометра, или позволяет манипулировать компонентами в диапазоне от 1 до 1000 нм.
Микро-робот имел бы характерные размеры менее 1 мм,
миллиробот имел бы размеры менее одного сантиметра (измеряется в миллиметрах),
у мини-робота были бы размеры менее 10 см,
маленький робот имел бы размеры менее 100 см.

Конкретные условия для развития микророботов
Развитие микроботов предполагает лучшее понимание и контроль определенных физических явлений при игре в этих масштабах, поскольку микро-робот подвергается силам, которые имеют большое значение в микрометрических масштабах и не мешают объекту большего размера;

Сила Ван-дер-Ваальса,
статическое электричество,
поверхностное натяжение,
дыхание воздуха,
более усугубляемые и жестокие эффекты солнечного тепла или холода, конденсации и т. д.).

Микроробота включает в себя изучение производственных процессов (микросистем или даже наносистем, в том числе микро- или наноэлектроники), необходимых для элементов очень малого масштаба.

Биомимика – это дисциплина, которая вдохновляет на микророботику,

Микромеханика
Он должен позволить роботу перемещаться и взаимодействовать со своей средой, например:

О haptics, которые позволяют роботу придерживаться робота и, возможно, захватывать объекты, собирать другой микроробот или привязываться к подложке;
микромоторов, позволяющих подвижным элементам двигаться вдоль одной или нескольких степеней свободы;
микрогироскопы или альтернативные устройства, выполняющие подобные функции;
инновационные способы передвижения; Например, как это делают ферриты, микроботы уже могут двигаться по воде, используя поверхностное натяжение этой жидкой «подложки». Мы также пытаемся подражать присоскам гекконов, чтобы позволить роботу в несколько граммов или десятка граммов ходить по потолку или на любую поддержку (программа Geckohair Nanolab из Университета Карнеги Меллона). Студенты работают над системами адгезии, адаптирующимися к разной степени наклона, позволяя подвеску (на потолке, под листом …).

Biomimetic
Источником вдохновения для робототехники является сама природа, которая тестировала очень много механизмов и моделей поведения, некоторые заинтересованные роботы. Подражание функционированию нейронных сетей и нервных центров и центральных генераторов спинного мозга первобытных животных уже может имитировать определенные механизмы, такие как ходьба, плавание, бег, ползание. Группы мышц заменяются серводвигателями, но они оживляются, воспроизводя движения и ритм ходьбы, плавания, ползания или бега по импульсам, распределенным на компьютерные микросхемы, которые имитируют нервную сеть.

Имитация иногда идет еще дальше. например:

Nanolab работает, чтобы идентифицировать и воспроизводить некоторые высоколегированные коллоидные молекулы, синтезированные животными (улитки, слизни, некоторые Coleoptera могут сильно, но временно придерживаться поддержки благодаря таким молекулам). Он разрабатывает приборы, адаптированные к измерению характеристик этого типа клея.
nanolab выпустил небольшой резервуар-подобный робот с клейкими гусеницами, которые могут лезть на стены, прилипая к нему;
Nanolab также разработал клейкие микроволокна, обеспечивающие очень усиленную адгезию на не горизонтальной плоскости, но производительность, которая далека от возможности воспроизводить, – это способность живых систем излечивать, кормить и воспроизводить способности, которые также создают новые этические вопросы которые выходят за рамки обычной области биоэтики.
Робот, вдохновленный саламандром, легко эволюционирует от водной и земной среды; Цыпленок может продолжать рефлекторно отрезать голову, показывая, что позвоночник и спинной мозг содержат основные двигательные центры.
Роботы (саламандра или змея) имитируют сканирование 8. В этом принципе Джозеф Айерс (Северо-Восточный университет в Бостоне) также разработал роботов, которые имитируют движения миноги и омаров.

Риски и ограничения
Одним из рисков биомиметики является то, что роботы, слишком похожие на животных, путаются с их моделями и охотятся на реальных хищников.

микроэлектроника
Микропроцессор позволяет выполнять компьютерное программное обеспечение, предоставляющее автономию роботу. Для микроботов требуются микропроцессоры с очень низкой мощностью, потому что они должны оставаться светлыми и не могут нести значительный источник энергии с ними.

биомеханика
Исследователям удалось анимировать робота или, точнее, реагировать робота на препятствия или свет через культуры нейронов крыс.

Микро- или нано-датчики
Они должны позволить роботу располагаться (или находить его) в своей среде;
Это, например, светочувствительные элементы, датчики температуры, датчики давления, датчики волн, радиоантенны и т. Д. даже микрокамеру.

Возможное использование
Есть надежда, что они могут автоматически выполнять задачи, которые являются опасными, болезненными, повторяющимися или невозможными для людей (в небольших пространствах, в вакууме), или задачи, которые проще, но которые выполняют их лучше, чем человек.

Проспективисты воображают, что их можно использовать как

промышленный и технический робот (способный, например, создавать очень мелкие детали или механизмы, диагностировать или ремонтировать внутреннюю часть машины без ее разборки, проверять трубопровод изнутри и т. д.). Представьте, что они, возможно, способны работать в вакууме или в отсутствие воздуха и т. д.),
пылесос робота или бытовые меньшие и более сдержанные, чем те, которые в настоящее время существуют
игривый робот (обучающие роботы для программирования … На данный момент они существуют только в виде игрушек с изображением роботов, но которые сами по себе) или педагогических роботов типа BEAM (акроним «Эстетическая и механическая электронная биология») являются роботы, которые не очень умны, без микроконтроллера или встроенной программы любого рода; Весной или простой эластичный материал может быть источником механической энергии для небольших экспериментальных проектов.
Медицинский робот или медицинская помощь. микро-робот, возможно, однажды сможет работать в живом организме.
Пространственные микрозонды или микро-роботы должны быть отправлены в космос, чтобы сохранить занятый объем и нагрузку на вынос при исследовании космоса

автономия
Чтобы быть автономным, микро-робот должен иметь:

достаточно эффективные датчики (микро- или наносенсоры)
энергетическая автономия, которая требует эффективных микро-батарей, низкого энергопотребления или способности находить и использовать внешний источник энергии (солнечный, СВЧ-луч, источник водорода, снабжающий его водородным топливным элементом, биомиметическую способность извлекать энергию из органического вещества ..). Один из способов экономии энергии – гарантировать, что различные функции микроробота активируются только при необходимости и оптимально. В остальное время их ставят в режим ожидания, что не мешает ему двигаться пассивным способом (переносимым ветром, течением, транспортным средством ..)
встроенная интеллектуальная система (индивидуальная или коллективная в случае роботов с дополнительными функциями, работающими совместно, в виде муравьев холма) и / или коммуникации, позволяющей взаимодействовать или дистанционно управлять.
Учебная программа должна быть достаточно сложной, чтобы реагировать на появление простых событий и изменений в окружающей среде (стимулы) и реагировать на них (индивидуально или коллективно, как это делается, например, муравьями в муравейнике) с помощью соответствующих реакций.

Микроботы в литературе и кино
Различные авторы научной фантастики и кино используют в своих романах, новостях или фильмах микро или даже наноботы, например, в виде микродронов.