Metaaletende robot kan metaalpad volgen zonder computer of batterij

Een nieuw ontwikkelde ‘metaaletende’ robot kan een metaalpad volgen zonder de behoefte aan een computer of batterij. De robot kan autonoom navigeren naar aluminiumoppervlakken en weg van gevaar dankzij de voedingseenheden die zijn aangesloten op de wielen aan de tegenovergestelde kant.

Batterijen zijn een van de belangrijkste beperkingen in het veld 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, moet er een meer consistente, snelle en duurzame manier zijn.

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 de 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 naar hoe dieren chemische bindingen vormen in de vorm van voedsel als een bron van energie. Zelfs zonder een ‘brein’ zoeken deze nieuwe ECVS-aangedreven robots ook naar hun voedselbron.

De nieuwe studie werd 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 zoekgedrag door automatisch naar en ‘eten’ van metalen oppervlakken te bewegen.

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

“Bacteriën kunnen autonoom navigeren naar voedingsstoffen via een proces dat chemotaxis wordt genoemd, waarbij ze veranderingen in chemische concentraties detecteren en reageren”, zegt Pikul. “Kleine robots hebben vergelijkbare beperkingen als micro-organismen, omdat 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 de verbinding tussen de robot en het metaal zou verbreken. In de experimenten konden de ECVS-eenheden de robot aandrijven en navigeren naar energierijke bronnen.

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

Een van de gevaar die door het team werd gebruikt, was een bochtig pad van isolatietape, en door de ECVS-eenheden aan de wielen aan de tegenovergestelde kant aan te sluiten, kon de robot autonoom het metalen pad volgen tussen twee lijnen tape. Bijvoorbeeld, de ECVS aan de rechterkant zou als eerste de stroom verliezen als het pad naar links boog, waardoor de linkerwielen van de robot langzamer zouden gaan en zich van het gevaar zouden verwijderen.

Het team gebruikte ook een viskeuze isolatiegel als gevaar, en de robot kon deze langzaam wegvegen terwijl hij eroverheen reed. Het ontwerp van de robot kan nu worden verbeterd nu onderzoekers leren wat de ECVS kan detecteren, 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 worden aangesloten, werken ze als een ‘OR-poort’, in die zin dat ze chemische of fysieke veranderingen die onder slechts één voedingseenheid optreden, negeren.”

“We kunnen deze 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 moeten worden vermeden, en die welke alleen ongemakkelijk zijn en kunnen worden doorkruist als dat nodig is.”

Autonome en computerloze robots zullen in staat zijn om complexer gedrag 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 smalle omgevingen te navigeren.

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