Ingeniør bygger multi-beinte swarm-roboter

En forsker ved University of Notre Dame har utviklet multi-beinte roboter som kan manøvrere gjennom vanskelige miljøer og fullføre komplekse oppgaver som en swarm. 

Forskningen ble publisert i Science Robotics. 

Yasemin Ozkan-Aydin er en assistentprofessor i elektroingeniør ved universitetet. Hun er den som har skapt den nye roboten.

“Beinte roboter kan navigere gjennom vanskelige miljøer som ru terreng og trangere rom, og bruk av lemmer tilbyr effektiv kroppsstøtte, muliggjør rask manøvrering og lett hinderoverkommelse,” sa Ozkan-Aydin. “Men beinte roboter møter unike mobilitetsutfordringer i terrengmiljøer, noe som resulterer i redusert lokomotorisk ytelse.”

Forbedring av mobilitet

Ozkan-Aydin antok at en fysisk forbindelse mellom enkeltroboter kunne forbedre mobiliteten til en terrestrisk beint kollektivsystem. Ved å fysisk koble sammen enkeltroboter til hverandre for å danne et multi-beint system, kan de kollektivt overvinne utfordringer bedre enn en enkelt robot som fullfører små oppgaver. 

“Når maur samler eller transporterer objekter, og en av dem møter et hinder, arbeider gruppen kollektivt for å overvinne hindret. Hvis det er et gap i banen, for eksempel, vil de danne en bro så andre maur kan krysse over — og det er inspirasjonen for denne studien,” sa hun. “Gjennom robotikk er vi i stand til å få en bedre forståelse av dynamikken og kollektive atferdene til disse biologiske systemene og utforske hvordan vi kan bruke denne type teknologi i fremtiden.”

Bygging av robotene

Ozkan-Aydin brukte en 3D-printer til å konstruere de fire-beinte robotene, som måler 15 til 20 centimeter i lengde. Hver enkelt består av en lithium-polymer batteri, mikrokontroller og tre sensorer. Det er en lys-sensor på forsiden og to magnetiske berøringsensorer på forsiden og baksiden, som muliggjør at de kan koble sammen med hverandre. 

Med tillegg av fire fleksible bein, trenger robotene ikke like mange sensorer og deler, og det hjelper dem å samhandle med ru eller ujevn terreng. 

“Du trenger ikke ekstra sensorer for å detektere hindringer fordi fleksibiliteten i beina hjelper roboten å bevege seg rett forbi dem,” sa Ozkan-Aydin. “De kan teste for gap i en bane, bygge en bro med sine kroppene; flytte objekter enkeltvis; eller koble sammen for å flytte objekter kollektivt i forskjellige typer miljøer, ikke ulikt maur.”

Robotene ble testet over en rekke overflater, som gress, bark, blader og eikenøtter. Eksperimenter på flat bakke inkluderte partikkelbord og trapper med isolasjons-skum, og andre tester inkluderte shag-tepp, rektangulære treblokker og andre overflater. 

Hvis en enkelt enhet ble fast, sendte den et signal til andre roboter. Disse robotene koblet så sammen for å støtte hverandre gjennom hindringer mens de arbeidet sammen. 

Ifølge Ozkan-Aydin, kan den nye forskningen hjelpe med å designe lavkostnads-beinte swarm som kan tilpasse seg uforutsette situasjoner og utføre samarbeidsoppgaver som søk- og redningsoppdrag, kollektivt objekttransport og romutforskning. Hun vil nå fokusere på å forbedre kontroll-, sanse- og kraftkapasiteten til systemene. 

“For funksjonelle swarm-systemer, må batteriteknologien forbedres,” sa hun. “Vi trenger små batterier som kan levere mer kraft, ideelt sett varer mer enn 10 timer. Ellers er det ikke bærekraftig å bruke dette systemet i den virkelige verden.” Andre begrensninger inkluderer behov for flere sensorer og mer kraftfulle motorer — samtidig som størrelsen på robotene holdes liten.

“Du må tenke på hvordan robotene vil fungere i den virkelige verden, så du må tenke på hvor mye kraft som er nødvendig, størrelsen på batteriet du bruker. Alt er begrenset, så du må ta beslutninger med hver del av maskinen.”