Metall fressender Roboter kann Metallpfad ohne Computer oder Batterie verfolgen

Ein neu entwickelter ‘metallfressender’ Roboter kann einen Metallpfad ohne die Notwendigkeit eines Computers oder einer Batterie verfolgen. Der Roboter kann autonom in Richtung von Aluminiumoberflächen navigieren und von Gefahren fernbleiben, dank der stromversorgenden Einheiten, die mit den Rädern auf der gegenüberliegenden Seite verbunden sind.

Batterien sind einer der größten Hindernisse im Bereich der Robotik. Je mehr Energie sie haben, desto schwerer sind sie. Dieses Gewicht bedeutet, dass der Roboter auch mehr Energie benötigt, um sich zu bewegen, und während einige Stromquellen wie Solarpanele in einigen Anwendungen nützlich sind, gibt es keine konsistente, schnelle und nachhaltige Lösung.

James Pikul ist Assistant Professor im Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics der Penn Engineering. Er entwickelt derzeit die neue Technologie, indem er auf eine umweltgesteuerte Spannungsquelle, oder ECVS, anstelle einer Batterie setzt.

Mit einer ECVS wird Energie durch das Brechen und Bilden von chemischen Bindungen erzeugt, und sie kann das Gewicht niedrig halten, indem sie die chemischen Bindungen in der Umgebung des Roboters findet. Die ECVS-Einheit katalysiert eine Oxidationsreaktion mit der umgebenden Luft, wenn sie mit einer Metalloberfläche in Kontakt kommt, und dies ist es, was den Roboter antreibt.

Pikul ließ sich von der Natur inspirieren, insbesondere davon, wie Tiere chemische Bindungen in Form von Nahrung als Energiequelle bilden. Selbst ohne ein ‘Gehirn’ suchen diese neuen ECVS-gerüsteten Roboter nach ihrer Nahrungsquelle.

Die neue Studie wurde in Advanced Intelligent Systems veröffentlicht.

Pikul wurde von Labormitgliedern Min Wang und Yue Gao begleitet, und das Team demonstrierte, wie die ECVS-gerüsteten Roboter die Umgebung ohne die Notwendigkeit eines Computers navigieren konnten. Die linken und rechten Räder des Roboters werden von unterschiedlichen ECVS-Einheiten angetrieben, und sie demonstrieren grundlegende Navigations- und Suchfähigkeiten, wenn der Roboter automatisch in Richtung von und ‘isst’ metallische Oberflächen.

Die Studie stoppte nicht dort, sondern demonstrierte auch, wie komplexeres Verhalten ohne einen zentralen Prozessor erreicht werden kann. Der Roboter kann unterschiedliche logische Operationen je nach Nahrungsquelle durchführen, was durch unterschiedliche räumliche und sequenzielle Anordnungen der ECVS-Einheiten erreicht wird.

“Bakterien können autonom in Richtung von Nährstoffen navigieren, durch einen Prozess, der Chemotaxis genannt wird, bei dem sie Veränderungen in chemischen Konzentrationen wahrnehmen und darauf reagieren”, sagt Pikul. “Kleine Roboter haben ähnliche Einschränkungen wie Mikroorganismen, da sie keine großen Batterien oder komplizierte Computer tragen können, also wollten wir herausfinden, wie unsere ECVS-Technologie dieses Verhalten nachahmen kann.”

Testen des Roboters

Die Forscher testeten den neuen Roboter, indem sie ihn auf einer Aluminiumoberfläche platzierten, die seine ECVS-Einheiten antreiben kann, und dann ‘Gefahren’ hinzufügten, die den Kontakt zwischen dem Roboter und dem Metall unterbrechen. In den Experimenten konnten die ECVS-Einheiten den Roboter antreiben und ihn in Richtung von energiereichen Quellen navigieren.

“In einigen Aspekten”, sagt Pikul, “sind sie wie eine Zunge, da sie sowohl wahrnehmen als auch helfen, Energie zu verdauen.”

Eine der Gefahren, die das Team verwendete, war ein gekrümmter Pfad aus isolierendem Klebeband, und indem die ECVS-Einheiten mit den Rädern auf der gegenüberliegenden Seite verbunden wurden, konnte der Roboter autonom dem Metallstreifen zwischen zwei Linien von Klebeband folgen. Zum Beispiel würde die ECVS auf der rechten Seite zuerst die Energie verlieren, wenn der Streifen nach links krümmte, was die linken Räder des Roboters verlangsamen und von der Gefahr wegführen würde.

Das Team verwendete auch ein viskoses isolierendes Gel als Gefahr, und der Roboter konnte es langsam wegwischen, während er darüber fuhr. Das Design des Roboters kann jetzt verbessert werden, da die Forscher lernen, was die ECVS aufnehmen kann, und diese können in das Design des Roboters einbezogen werden.

“Das Verbinden der ECVS-Einheiten mit den gegenüberliegenden Motoren ermöglicht es dem Roboter, Oberflächen zu vermeiden, die er nicht mag”, sagt Pikul. “Aber wenn die ECVS-Einheiten parallel zu beiden Motoren sind, funktionieren sie wie ein ‘OR’-Tor, indem sie chemische oder physikalische Veränderungen ignorieren, die unter nur einer Stromquelle auftreten.”

“Wir können diese Art von Verbinden verwenden, um biologische Vorlieben zu entsprechen”, sagt er. “Es ist wichtig, zwischen Umgebungen zu unterscheiden, die gefährlich sind und vermieden werden müssen, und solchen, die nur unangenehm sind und durchquert werden können, wenn notwendig.”

Autonome und computerlose Roboter werden in der Lage sein, komplexeres Verhalten zu zeigen, wenn die ECVS-Technologie fortschreitet, und die Umgebung wird eine große Rolle im ECVS-Design spielen. Zum Beispiel könnten kleine Roboter entwickelt werden, um gefährliche und enge Umgebungen zu navigieren.

“Wenn wir unterschiedliche ECVS haben, die auf unterschiedliche Chemien abgestimmt sind, können wir Roboter haben, die Oberflächen vermeiden, die gefährlich sind, aber durch solche hindurchfahren, die im Weg eines Ziels stehen”, sagt Pikul.