021-22889554
021-26703715
مشاوره آموزشی رایگان

021-22889554  |  021-26703715 مشاوره آموزشی رایگان

چرا ربات هایی به اندازه یک دانه برنج ساختم

Sarah Bergbreiter

Why I make robots the size of a grain of rice

By studying the movement and bodies of insects such as ants, Sarah Bergbreiter and her team build incredibly robust, super teeny, mechanical versions of creepy crawlies … and then they add rockets. See their jaw-dropping developments in micro-robotics, and hear about three ways we might use these little helpers in the future.


تگ های مرتبط :

TEDYouth, Engineering, Robots
من و دانشجویانم روی ربات های خیلی کوچک کار می کنیم. حالا شما می توانید به این ها به عنوان مدل های رباتی فکر کنید که همه شما با آنها آشنا هستید: مورچه همه ما می دانیم که مورچه ها و دیگر حشرات این اندازه ای می توانند کارهای فوق العاده ای انجام دهند. همه ما گروهی از مورچه ها یا چیزی شبیه آن را دیده ایم که مثلا چیپس سیب زمینی شما را در زمان پیک نیک رفتن با خود ببرند. ولی چالش اصلی طراحی این مورچه ها چیست؟ اول از همه ما چطور باید توانایی‌های یک مورچه را در یک ربات با همین اندازه قرار دهیم؟ خوب ابتدا باید متوجه شویم چطور آنها را حرکت دهیم آنهم وقتی که خیلی کوچک هستند.
ما به مکانیزم هایی مثل پا و موتورهای موثر برای پشتیبانی از حرکت آنها نیاز داریم، و همینطور به سنسورها و قدرت و کنترل تا همه چیز را در یک ربات مورچه نیمه هوشمند قرار دهیم. و در آخر برای کاربردی کردن همه این چیزها می خواهیم همه آنها با هم کار کنند تا کارهای بزرگتری انجام دهند. خوب ابتدا با تحرک شروع می کنیم. حشرات خیلی خوب حرکت می کنند. این ویدیو از دانشگاه یوسی برکلی است. نشان می دهد که یک سوسک روی زمین خیلی سخت حرکت می کند، بدون این که سُر بخورد، و این توانایی به خاطر پاهای اوست که ترکیبی از مواد سفت و محکم است، همان چیزی است که معمولابرای ساخت ربات ها استفاده می کنیم،
و البته مواد نرم. وقتی شما خیلی کوچک هستید، پریدن یکی دیگر از راه های جذاب حرکت است. این حشرات انرژی را در یک فنر ذخیره می کنند و آن را به سرعت رها می کنند تا انرژی زیادی که لازم دارند را به دست آورند، مثل از آب بیرون پریدن. خوب یکی از بزرگترین دستاوردهای آزمایشگاه مان این بوده که مواد سخت و نرم را در مکانیزم های خیلی خیلی کوچک ترکیب کرده ایم. این مکانیزم پریدن در حدود چهار میلی متر در یک طرف است، پس واقعا خیلی کوچک است. ماده سخت در اینجا سیلیکون و ماده نرم لاستیک سیلیکون است. و ایده اولیه این هست که میخواهیم این را فشرده کنیم، انرژی را در فنرها ذخیره کنیم و یکهو آن را برای پریدن رها کنیم.
خب تا الان هیچ موتوری و هیچ انرژی وجود ندارد. با یک روشی به کار انداخته می شود که در آزمایشگاه ام آن را -‌‌دانشجوی فارغ التحصیل انبر به دست- می نامیم. چیزی که در ویدیو بعدی خواهید دید این موجوی است که پرش های ربات را خیلی خوب انجام می دهد. این آرون است، همان فارغ التحصیل انبر به دست مورد نظر. و این چیزی که می بینید مکانیزم چهار میلی متری است که ۴۰ سانتی متر پرش می کند. تقریبا ۱۰۰ برابر طول خود آن است. و نجات می یابد و روی میز جهش می کند. بسیار قوی است و خیلی خوب نجات می یابد تا وقتی آن را گم کنیم. چون خیلی ریز است. نهایتا می خواهیم به آن موتور نیز اضافه کنیم،
و دانشجویانی در آزمایشگاه داریم که روی موتورهای میلی متری کار می کنند تا در آخر داخل ربات های کوچک و خودکار قرار گیرند. ولی برای دیدن حرکت و جابجایی به این کوچکی ما تقلب میکنیم و از آهن ربا استفاده می کنیم. و این چیزی است که نهایتا قسمتی از پای یک ربات کوچک خواهد بود، و شما می توانید مفاصل پلاستیکی سیلیکون را ببینید و یک آهن ربای جاسازی شده وجود دارد که در حال حرکت است با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی. پس این ما را به سمت رباتی که قبل تر نشان دادم هدایت می کند. بسیار جالب است که این ربات می تواند به ما کمک کند متوجه شویم چطور حشرات با این اندازه حرکت می کنند. یک مدل خیلی خوب درباره حرکت همه چیز
از سوسک ها تا فیل‌ها را داریم. همه ما وقتی می دویم یک حالت جهشی داریم. اما وقتی من خیلی کوچک هستم نیروی بین پای من و زمین بیشتر از حجم من روی حرکتم تاثیر می گذارد، که باعث حرکت جهشی می شود. پس این هنوز خیلی خوب کار نمی کند، ولی مدل های نسبتا بزرگتری داریم که واقعا می دوند. و این با حدود یک سانتی متر مکعب در یک طرف قرار دارد. واقعا کوچک است. ما توانستیم به حرکت ۱۰ برابر طول بدنش در ثانیه برسیم، که ۱۰ ساتیمتر در ثانیه هست. برای این موجود کوچک، واقعا سریع هست، و با تنظیمی که ما کردیم این تنها محدویت آن هست. اما به شما ایده‌هایی درمورد چگونگی کار کردش می دهد.
همچنین می تونیم نسخه چاپ‌سه بعدی آن را درست کنیم که بتواند از موانع بالا رود، خیلی شبیه سوسکی که در ابتدا دیدید. اما در نهایت می‌خواهیم همه چیز را در این ربات قرار دهیم. ما سنسور( سنجش)، قدرت، کنترل، و حرکت همه را با همه می‌خواهیم، لازم نیست همه چیز الهام گرفته از زیست‌شناسی باشد. این ربات به اندازه یک تیک تک هست.( نوعی آبنبات ریز) در این مورد، به جای آهنربا یا عضلات که این را به حرکت وا دارد، ما از موشک استفاده کردیم. خب این مواد دارای انرژی در ابعاد میکرونی هستند، و می‌توانیم پیکسل‌های بسیار ریزی از آنها بسازیم، و می توانیم یکی از این پیکسل‌ها را در شکم این ربات جا دهیم، و هنگامی که نور افزایش می یابد، می تواند بپرد.
خوب ویديو بعدی یکی از مورد علاقه ترین های من هست. شما این ربات ۳۰۰ میلی گرم را دارید که حدود ۸ میلیمتر در هوا پرواز می‌کند. تنها چهار در چهار در هفت میلیمتر است. در ابتدا فلش بزرگی را می بینید هنگامی که انرژی تخلیه می شود، و ربات در هوا چرخ می زند. خب فلش به این بزرگی بود، و شما می‌توانید ربات‌ را ببینید که در هوا پرواز می کند. خب هیچ سیم یا بندی( برای محدود کرن ) در آن نیست. همه چیز در آن هست، و در مقابل حرکت انگشت یک دانشجو در مقابل چراغ بر روی میز واکنش نشان می دهد. خب فکر می کنم شما می توانید تمامی کارهای جالبی که ما با این رباتها بکنیم
این که در این اندازه می توانند بدوند، سینه خیز بروند، بپرند و غلت بزنند را تصور کنید. ویرانی که بعد از یک فاجعه طبیعی مانند زلزله ایجاد می‌شود را تصور کنید. و رباتهای کوچکی که برای یافتن بازماندگان به طرف ویرانیهای حر کت می کنند را تصورکنید. یا شماری زیادی از رباتهای کوچک که در اطراف یک پل در حرکتند تا با بازرسی از آن مطمئن شوند که ایمن هست، و هنگامی که روی آن هستید، فرو نمی ریزد، مانند اتفاقی که در سال ۲۰۰۷ در بیرون شهر مینیاپولیس افتاد. یا تصور کنید که چه کاری می توانید کنید اگر رباتی بتواند در بدن شما از طریق خون‌تان شنا کند. درسته؟" سفری خارق العاده هست"ایزاک آسیموف. یا اینکه آنها بتوانند عمل جراحی را بدون بازکردن محل انجام دهند.
یا اینکه ما می‌توانیم اساسا روش ساخت چیزها را تغییر دهیم اگر رباتهای کوچک مان به همان شیوه که موریانه انجام دهید کار را انجام دهند، و آنها یک کوه هشت متری باورنکردنی را ساختند، آپارتمانی با تهویه خوب برای دیگر موریانه‌ها در آفریقا و استرالیا. خب فکر می‌کنم به شما آنچه که ما میتوانیم با این رباتهای کوچک انجام دهیم را نشان دادم. ما تعدادی را نیز بصورت پیشرفته ساخته ایم، ولی هنوز راه طولانی در پیش داریم، و امیدوارم که برخی از شما بتوانید با ما از راه دور همکاری کند. بسیار سپاسگزارم. (تشو
My students and I work on very tiny robots. Now, you can think of these as robotic versions of something that you're all very familiar with: an ant. We all know that ants and other insects at this size scale can do some pretty incredible things. We've all seen a group of ants, or some version of that, carting off your potato chip at a picnic, for example. But what are the real challenges of engineering these ants? Well, first of all, how do we get the capabilities of an ant in a robot at the same size scale? Well, first we need to figure out how to make them move when they're so small.
We need mechanisms like legs and efficient motors in order to support that locomotion, and we need the sensors, power and control in order to pull everything together in a semi-intelligent ant robot. And finally, to make these things really functional, we want a lot of them working together in order to do bigger things. So I'll start with mobility. Insects move around amazingly well. This video is from UC Berkeley. It shows a cockroach moving over incredibly rough terrain without tipping over, and it's able to do this because its legs are a combination of rigid materials,
which is what we traditionally use to make robots, and soft materials. Jumping is another really interesting way to get around when you're very small. So these insects store energy in a spring and release that really quickly to get the high power they need to jump out of water, for example. So one of the big contributions from my lab has been to combine rigid and soft materials in very, very small mechanisms. So this jumping mechanism is about four millimeters on a side, so really tiny. The hard material here is silicon, and the soft material is silicone rubber. And the basic idea is that we're going to compress this,
store energy in the springs, and then release it to jump. So there's no motors on board this right now, no power. This is actuated with a method that we call in my lab "graduate student with tweezers." (Laughter) So what you'll see in the next video is this guy doing amazingly well for its jumps. So this is Aaron, the graduate student in question, with the tweezers, and what you see is this four-millimeter-sized mechanism jumping almost 40 centimeters high. That's almost 100 times its own length. And it survives, bounces on the table, it's incredibly robust, and of course survives quite well until we lose it
because it's very tiny. Ultimately, though, we want to add motors to this too, and we have students in the lab working on millimeter-sized motors to eventually integrate onto small, autonomous robots. But in order to look at mobility and locomotion at this size scale to start, we're cheating and using magnets. So this shows what would eventually be part of a micro-robot leg, and you can see the silicone rubber joints and there's an embedded magnet that's being moved around by an external magnetic field. So this leads to the robot that I showed you earlier. The really interesting thing that this robot can help us figure out
is how insects move at this scale. We have a really good model for how everything from a cockroach up to an elephant moves. We all move in this kind of bouncy way when we run. But when I'm really small, the forces between my feet and the ground are going to affect my locomotion a lot more than my mass, which is what causes that bouncy motion. So this guy doesn't work quite yet, but we do have slightly larger versions that do run around. So this is about a centimeter cubed, a centimeter on a side, so very tiny, and we've gotten this to run about 10 body lengths per second, so 10 centimeters per second.
It's pretty quick for a little, small guy, and that's really only limited by our test setup. But this gives you some idea of how it works right now. We can also make 3D-printed versions of this that can climb over obstacles, a lot like the cockroach that you saw earlier. But ultimately we want to add everything onboard the robot. We want sensing, power, control, actuation all together, and not everything needs to be bio-inspired. So this robot's about the size of a Tic Tac. And in this case, instead of magnets or muscles to move this around, we use rockets. So this is a micro-fabricated energetic material,
and we can create tiny pixels of this, and we can put one of these pixels on the belly of this robot, and this robot, then, is going to jump when it senses an increase in light. So the next video is one of my favorites. So you have this 300-milligram robot jumping about eight centimeters in the air. It's only four by four by seven millimeters in size. And you'll see a big flash at the beginning when the energetic is set off, and the robot tumbling through the air. So there was that big flash, and you can see the robot jumping up through the air.
So there's no tethers on this, no wires connecting to this. Everything is onboard, and it jumped in response to the student just flicking on a desk lamp next to it. So I think you can imagine all the cool things that we could do with robots that can run and crawl and jump and roll at this size scale. Imagine the rubble that you get after a natural disaster like an earthquake. Imagine these small robots running through that rubble to look for survivors. Or imagine a lot of small robots running around a bridge in order to inspect it and make sure it's safe so you don't get collapses like this,
which happened outside of Minneapolis in 2007. Or just imagine what you could do if you had robots that could swim through your blood. Right? "Fantastic Voyage," Isaac Asimov. Or they could operate without having to cut you open in the first place. Or we could radically change the way we build things if we have our tiny robots work the same way that termites do, and they build these incredible eight-meter-high mounds, effectively well ventilated apartment buildings for other termites in Africa and Australia. So I think I've given you some of the possibilities of what we can do with these small robots.
And we've made some advances so far, but there's still a long way to go, and hopefully some of you can contribute to that destination. Thanks very much. (Applause)