Metaaletende robot kan metaalpad volgen zonder computer of batterij

Een nieuw ontwikkelde ‘metaaletende’ robot kan een metaalpad volgen zonder dat een computer of batterij nodig is. De robot kan zich autonoom navigeren naar aluminiumoppervlakken en weg van gevaar door de stroomvoorzieningsunits die zijn aangesloten op de wielen aan de tegenovergestelde zijde.

Batterijen zijn een van de belangrijkste belemmeringen op het gebied van robotica. Hoe meer energie ze hebben, hoe zwaarder ze zijn. Dit gewicht betekent dat de robot ook meer energie nodig heeft om te bewegen, en hoewel sommige energiebronnen zoals zonnepanelen in sommige toepassingen nuttig zijn, is er een meer consistente, snelle en duurzame manier nodig.

James Pikul is een assistent-professor in de afdeling Mechanische Ingenieurswetenschappen en Toegepaste Mechanica van Penn Engineering. Hij ontwikkelt momenteel de nieuwe technologie door te vertrouwen op een omgevingsgecontroleerde spanningsbron, of ECVS, in plaats van een batterij.

Met een ECVS wordt energie gegenereerd door chemische bindingen te breken en te vormen, en het kan het gewicht laag houden door chemische bindingen in de omgeving van de robot te vinden. De ECVS-eenheid katalyseert een oxidatiereactie met de omringende lucht wanneer het in contact komt met een metaaloppervlak, en dit is wat de robot aandrijft.

Pikul haalde inspiratie uit de natuur, met name door te kijken hoe dieren chemische bindingen in de vorm van voedsel als energiebron gebruiken. Zelfs zonder een ‘brein’ zoeken deze nieuwe ECVS-aangedreven robots ook naar hun voedselbron.

De nieuwe studie is gepubliceerd in Advanced Intelligent Systems. 

Pikul werd vergezeld door lableden Min Wang en Yue Gao, en het team demonstreerde hoe de ECVS-aangedreven robots de omgeving konden navigeren zonder de behoefte aan een computer. De linker- en rechterwielen van de robot worden aangedreven door verschillende ECVS-eenheden, en ze demonstreren basisnavigatie- en foerageervermogens, aangezien de robot zich automatisch naar en ‘eet’ metaaloppervlakken verplaatst.

De studie stopte daar niet, want het demonstreerde ook hoe meer complex gedrag kon worden bereikt zonder een centrale processor. De robot kan verschillende logische operaties uitvoeren, afhankelijk van de voedselbron, wat wordt bereikt door verschillende ruimtelijke en sequentiële arrangementen van de ECVS-eenheden.

“Bacteriën kunnen zich autonoom navigeren naar voedingsstoffen door een proces dat chemotaxis wordt genoemd, waarbij ze veranderingen in chemische concentraties detecteren en erop reageren,” zegt Pikul. “Kleine robots hebben soortgelijke beperkingen als micro-organismen, aangezien ze geen grote batterijen of ingewikkelde computers kunnen dragen, dus wilden we onderzoeken hoe onze ECVS-technologie dat soort gedrag kon repliceren.”

Testen van de robot

De onderzoekers testten de nieuwe robot door deze op een aluminiumoppervlak te plaatsen dat de ECVS-eenheden kan aandrijven, en ze voegden ‘gevaar’ toe dat het contact tussen de robot en het metaal zou verbreken. In de experimenten konden de ECVS-eenheden de robot verplaatsen en navigeren naar energierijke bronnen.

“Op sommige manieren,” zegt Pikul, “zijn ze als een tong, omdat ze zowel energie detecteren als helpen bij het verteren van energie.”

Een van de gevaar die het team gebruikte, was een bochtig pad van isolerende tape, en door de ECVS-eenheden aan de wielen aan de tegenovergestelde zijde aan te sluiten, kon de robot zich autonoom volgen in het metaalpad tussen twee lijnen tape. Als het pad bijvoorbeeld naar links boog, zou de ECVS aan de rechterkant als eerste de stroom verliezen, waardoor de linkerwielen van de robot langzamer gingen en zich verwijderden van het gevaar.

Het team gebruikte ook een viskeuze isolerende gel als gevaar, en de robot kon deze langzaam wegwissen terwijl hij eroverheen reed. Het ontwerp van de robot kan nu worden verbeterd, aangezien onderzoekers leren wat de ECVS kan oppikken, en deze kunnen worden opgenomen in het ontwerp ervan.

“Het aansluiten van de ECVS-eenheden op tegenovergestelde motoren stelt de robot in staat om oppervlakken te vermijden die ze niet leuk vinden,” zegt Pikul. “Maar wanneer de ECVS-eenheden parallel aan beide motoren werken, werken ze als een ‘OR-poort’, in die zin dat ze chemische of fysieke veranderingen die onder slechts één stroombron optreden, negeren.”

“We kunnen dit soort bedrading gebruiken om biologische voorkeuren te evenaren,” zegt hij. “Het is belangrijk om het verschil te kunnen zien tussen omgevingen die gevaarlijk zijn en vermeden moeten worden, en die welke alleen maar onhandig zijn en door kunnen worden gegaan als dat nodig is.”

Autonome en computerloze robots zullen in staat zijn om complexere gedragingen te vertonen naarmate de ECVS-technologie evolueert, en de omgeving zal een grote rol spelen in het ECVS-ontwerp. Bijvoorbeeld, kleine robots kunnen worden ontwikkeld om gevaarlijke en nauwe omgevingen te navigeren.

“Als we verschillende ECVS hebben die zijn afgestemd op verschillende chemie, kunnen we robots maken die oppervlakken vermijden die gevaarlijk zijn, maar door oppervlakken heen kunnen gaan die in de weg staan van een doel,” zegt Pikul.