微型机器人

微机器人(Microbotics)是微型机器人领域,特别是具有小于1mm的特征尺寸的移动机器人。 该术语还可用于能够处理微米尺寸部件的机器人。

历史
由于20世纪最后十年微控制器的出现以及微型机械系统在硅(MEMS)上的出现,微型机器人诞生了,尽管许多微型机器人不使用硅作为传感器以外的机械部件。 这种小型机器人最早的研究和概念设计是在20世纪70年代早期(当时)为美国情报机构进行的分类研究中进行的。 当时设想的应用包括战俘营救援助和电子拦截任务。 当时基础小型化支持技术尚未完全开发,因此原型开发的进展并未立即从这一早期的计算和概念设计中获得。 截至2008年,最小的微型机器人使用Scratch Drive Actuator。

无线连接的发展,尤其是Wi-Fi(即在家庭网络中)已经大大增加了微型计算机的通信能力,并因此大大提高了它们与其他微型计算机协调以执行更复杂任务的能力。 事实上,最近的研究主要集中在微型通信,包括哈佛大学的1,024个机器人群,它将自己组装成各种形状; 在SRI International为DARPA的“微型产品微型工厂”项目制造微型工具,该项目可以构建轻质,高强度的结构。

设计注意事项
虽然“微观”前缀主观上用于表示小,但长度尺度的标准化避免了混淆。 因此,纳米机器人将具有等于或小于1微米的特征尺寸,或操纵1至1000nm尺寸范围的部件。 微型机器人的特征尺寸小于1毫米,毫米机器人的尺寸小于1厘米,小型机器人的尺寸小于10厘米(4英寸),小型机器人的尺寸小于100厘米(39英寸) 。

由于它们的尺寸小,微型计算机可能非常便宜,并且可以大量使用(群体机器人技术)来探索对于人或大型机器人来说太小或太危险的环境。 预计微型计算机可用于诸如在地震后寻找倒塌建筑物中的幸存者或爬过消化道的应用中。 什么微博客缺乏肌肉或计算能力,他们可以通过使用大数量来弥补,就像成群的微型计算机一样。

微型机器人移动的方式是它们的目的和必要尺寸的函数。 在亚微米尺寸下,物理世界需要相当奇怪的绕行方式。 机载机器人的雷诺数接近统一; 粘性力量主导惯性力,因此“飞行”可以使用空气的粘度,而不是伯努利的升力原理。 穿过液体的机器人可能需要像大肠杆菌的运动形式一样旋转鞭毛。 跳跃是隐秘和节能的; 它允许机器人协商各种地形的表面。 开创性的计算(Solem 1994)研究了基于物理现实的可能行为。

开发微机器人的主要挑战之一是使用非常有限的电源实现运动。 微型机器人可以使用小型轻型电池源,如纽扣电池,或者可以以振动或光能的形式从周围环境中清除电力。 微型机器人现在也使用生物电动机作为动力源,例如鞭毛的粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens),以从周围的流体吸取化学能来驱动机器人装置。 这些生物机器人可通过趋化性或趋电性等刺激直接控制,并提供多种控制方案。 车载电池的一种流行替代方案是使用外部感应电源为机器人供电。 例子包括使用电磁场,超声波和光来激活和控制微型机器人。

大小和定义
前缀“微”已被大量用于主观地指定小型机器人,但尺寸变化很大。 标准化与大小比例相对应的名称的项目避免了混淆。 所以:

纳米机器人具有等于或小于1微米的尺寸,或者允许操纵尺寸在1至1000nm范围内的组件。
微型机器人的特征尺寸小于1毫米,
毫米机器人的尺寸小于1厘米(以毫米为单位),
微小机器人的尺寸小于10厘米,
小型机器人的尺寸小于100厘米。

微机器人发展的具体条件
微型机器人的发展涉及更好地理解和控制在这些尺度上发挥作用的某些物理现象,因为微型机器人受到的力量在微米尺度上非常重要,并且不会干扰更大尺寸的物体;

范德瓦尔斯力量,
静电,
表面张力,
空气,
太阳热或冷,冷凝等更加恶化和残酷的影响。

微机器人包括对非常小规模元件所需的制造工艺(微系统甚至纳米系统,包括微电子或纳电子)的研究。

Biomimicry是一个激发微机器人的学科,

微观力学
它必须允许机器人移动并与其环境交互,例如:

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允许机器人粘附到机器人上并且可能抓住物体,组装另一个微机器人或者固定到基板上的触觉部件;
微电机使移动元件能够沿着一个或多个自由度移动;
搜索微陀螺仪或执行类似功能的替代设备;
创新的旅行方式; 例如,如同生殖器那样,利用这种液体“基质”的表面张力,微生物已经可以在水上移动。 我们还试图模仿壁虎的吸盘,以便让几克或几十克的机器人在天花板或任何支撑物上行走(Carnegy Mellon大学的Geckohair Nanolab计划)。 学生在粘合系统上工作,适应不同程度的坡度,允许悬挂步行(在天花板上,在一张纸下……)。

仿生
机器人技术的灵感来源是自然本身,它测试了许多机制和行为,一些感兴趣的机器人技术。 模仿神经网络和神经中枢的功能以及原始动物脊髓的中枢发生器已经可以模仿某些机制,例如步行,游泳,跑步,爬行。 肌肉群被伺服电动机取代,但它们通过根据分配到模拟神经网络的计算机微电路的脉冲再现运动和行走,游泳,爬行或跑步的节奏而动画化。

模仿有时甚至更进一步。 例如:

Nanolab用于鉴定和复制由动物合成的一些高粘性胶体分子(蜗牛,slu ,,一些鞘翅目可以通过这些分子强烈但暂时粘附在支持物上)。 它开发了一种适用于测量这种粘合剂性能的仪器。
nanolab生产了一个带有粘性毛虫的小型罐状机器人,它可以通过贴在上面爬上墙壁;
Nanolab还开发了粘合剂微纤维,可以在非水平面上实现非常强化的附着力,但远远不能复制的性能是生命系统愈合,喂养和繁殖的能力,也构成新的伦理问题的能力超越了通常的生物伦理学领域。
受蝾螈启发的机器人很容易从水生环境演变为陆地环境; 鸡可以继续反射性地切断头部,表明脊柱和脊髓包含必要的运动中心。
机器人(蝾螈或蛇)模仿爬行8.根据这一原则,约瑟夫艾尔斯(波士顿东北大学)也开发了模仿七鳃鳗和龙虾运动的机器人。

风险和局限
仿生学的一个风险是,像动物一样的机器人与他们的模型混淆并被真正的捕食者追捕。

微电子
微处理器允许执行计算机软件,为机器人提供自主权。 微型计算机需要非常低功率的微处理器,因为它们必须保持光亮并且不能携带重要的能量源。

生物力学
研究人员设法为机器人制作动画,或者更确切地说,通过大鼠神经元的培养使机器人对障碍或光线作出反应。

微型或纳米传感器
它们必须允许机器人将自己定位(或定位)在其环境中;
这些是例如光反应单元,温度传感器,压力传感器,波传感器,无线电天线等。 甚至是微型摄像机。

可能的用途
希望他们能够自动执行对人类(在狭小的空间,在真空中)危险,痛苦,重复或不可能的任务,或者更简单但比人类更好地完成任务的任务。

Prospectivists想象他们可以用作

工业和技术机器人(例如可以构建非常小的零件或机构,在不拆卸机器的情况下诊断或修理机器内部,从内部检查管道等。一个人想象它们可能在真空中工作或者在没有空气等情况下)
机器人真空吸尘器或家庭比现有的更小,更谨慎
有趣的机器人(教授机器人进行编程……目前,它们只以玩具形象的玩具形式存在,但不是自身)或者教学机器人类型BEAM(缩写“美学和机械电子生物学”)是机器人不是很聪明,没有微控制器或任何类型的嵌入式程序; 弹簧或简单弹性可以是小型实验项目的机械能源。
医疗机器人或医疗援助。 一个微型机器人也许有一天会在一个活生生的机体中运作。
将空间微探测器或微型机器人送入太空以节省占用的空间和太空探索中的外带负荷

自主判断
为了自主,微型机器人必须具备:

足够高效的传感器(微型或纳米传感器)
能源自治需要高效的微电池,低能耗或能够寻找和利用外部能源(太阳能,微波束,供应其氢燃料电池的氢源,从有机物质中提取能量的仿生能力……)。 节省能量的一种方法是确保仅在必要时和最佳地激活微机器人的各种功能。 其余时间它们处于待机状态,这不可能阻止它以被动方式移动(由风,电流,车辆携带……)
嵌入式智能系统(具有互补功能的机器人的个人或集体,以蚂蚁山的蚂蚁的方式协同工作)和/或允许交互或远程控制的通信。
教学计划必须足够复杂,以响应简单事件的发生和环境的变化(刺激)并通过适当的反应对它们(单独或集体地,例如通过蚁丘中的蚂蚁所做的)作出反应。

文学和电影中的微博客
科幻小说和电影的各种作者在他们的小说,新闻或电影微观甚至纳米机器人中使用,例如以微型无人机的形式。

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