Metal-spisende robot kan følge metalvej uden computer eller batteri

En nyudviklet ‘metal-spisende’ robot kan følge en metalvej uden behov for en computer eller batteri. Robotterne kan autonomt navigere mod aluminiumsoverflader og væk fra farer takket være strømforsyningsenhederne, der er forbundet til hjulene på den modsatte side.

Batterier er en af de største barrierer i robotteknologiens felt. Jo mere energi de har, desto tungere er de. Denne vægt betyder, at robotterne også skal have mere energi for at bevæge sig, og selvom nogle strømkilder som solceller er nyttige i visse anvendelser, er der brug for en mere konsekvent, hurtig og bæredygtig måde.

James Pikul er en adjunktprofessor på Penn Engineerings afdeling for mekanisk ingeniørvidenskab og anvendt mekanik. Han udvikler i øjeblikket den nye teknologi ved at stole på en miljøkontrolleret spændingskilde, eller ECVS, i stedet for en batteri.

Med en ECVS produceres energi ved at bryde og danne kemiske bindinger, og den kan holde vægten nede ved at finde kemiske bindinger i robotternes omgivelser. ECVS-enheten katalyserer en oxidationsreaktion med den omgivende luft, når den kommer i kontakt med en metaloverflade, og det er dette, der driver robotterne.

Pikul fik inspiration fra naturen, specifikt ved at se på, hvordan dyr danner kemiske bindinger i form af føde som en kilde til energi. Selv uden en ‘hjerne’ søger disse nye ECVS-drevne robotter også efter deres fødekilde.

Den nye studie blev offentliggjort i Advanced Intelligent Systems.

Pikul blev ledsaget af laboratorie-medlemmerne Min Wang og Yue Gao, og holdet demonstrerede, hvordan ECVS-drevne robotter kunne navigere i omgivelserne uden behov for en computer. Venstre og højre hjul på robotterne er drevet af forskellige ECVS-enheder, og de demonstrerer grundlæggende navigation og foragingsevner, da robotterne automatisk bevæger sig mod og ‘spiser’ metaloverflader.

Studiet standsede ikke blot der, men demonstrerede også, hvordan mere komplekse adfærd kunne opnås uden en central processor. Robotterne kan udføre forskellige logiske operationer afhængigt af deres fødekilde, hvilket opnås ved at have forskellige rumlige og sekventielle arrangementer af ECVS-enhederne.

“Bakterier kan autonomt navigere mod næringsstoffer gennem en proces kaldet kemotaksi, hvor de fornemmer og reagerer på ændringer i kemisk koncentration,” siger Pikul. “Små robotter har lignende begrænsninger som mikroorganismer, da de ikke kan bære store batterier eller komplicerede computere, så vi ville gerne udforske, hvordan vores ECVS-teknologi kunne replikere den slags adfærd.”

Test af robotterne

Forskerne testede de nye robotter ved at placere dem på en aluminiumsoverflade, der kan give strøm til deres ECVS-enheder, og derefter tilføje ‘farer’, der ville bryde kontakten mellem robotterne og metallet. I eksperimenterne kunne ECVS-enhederne flytte robotterne og navigere dem mod energirige kilder.

“På visse måder,” siger Pikul, “er de ligesom en tunge, da de både fornemmer og hjælper med at fordøje energi.”

En af farerne, som holdet brugte, var en kurvet vej af isoleringsbånd, og ved at forbinde ECVS-enhederne til hjulene på den modsatte side, kunne robotterne autonomt følge metalbanen mellem to linjer af bånd. For eksempel ville ECVS’en til højre tabe strøm først, hvis banen kurvede til venstre, hvilket fik robotternes venstre hjul til at slow down og bevæge sig væk fra faren.

Holdet brugte også en viskøs isoleringsgel som en fare, og robotterne kunne langsomt slette det, mens de kørte over det. Designet af robotterne kan nu forbedres, da forskerne lærer, hvad ECVS kan opsamle, og disse kan indarbejdes i designet.

“At forbinde ECVS-enhederne til modsatte motorer giver robotterne mulighed for at undgå overflader, de ikke kan lide,” siger Pikul. “Men når ECVS-enhederne er i parallel til begge motorer, fungerer de som en ‘OR-port’, så de ignorerer kemiske eller fysiske ændringer, der sker under kun en strømkilde.”

“Vi kan bruge denne type kabelforing til at matche biologiske præferencer,” siger han. “Det er vigtigt at kunne skelne mellem miljøer, der er farlige og skal undgås, og dem, der blot er ulemper og kan passeres, hvis det er nødvendigt.”

Autonome og computerløse robotter vil kunne udføre mere komplekse adfærd, når ECVS-teknologien udvikles, og omgivelserne vil spille en stor rolle i ECVS-designet. For eksempel kunne små robotter udvikles til at navigere i farlige og snævre miljøer.

“Hvis vi har forskellige ECVS, der er indstillet til forskellige kemier, kan vi have robotter, der undgår overflader, der er farlige, men kan køre igennem dem, der står i vejen for et mål,” siger Pikul.