Metall-spisende robot kan følge metallsti uten datamaskin eller batteri

En nyutviklet «metall-spisende» robot kan følge en metallsti uten behov for datamaskin eller batteri. Roboten kan selvstendig navigere mot aluminiumsoverflater og vekk fra farer takket være strømforsyningsenhetene som er koblet til hjulene på motsatt side.

Batterier er en av de største hindringene i robotikkfeltet. Jo mer energi de har, jo tyngre er vekten. Denne vekten betyr at roboten også må ha mer energi for å bevege seg, og mens noen strømkilder som solceller er nyttige i noen anvendelser, må det finnes en mer konsekvent, rask og bærekraftig måte.

James Pikul er en assistentprofessor i Penn Engineerings avdeling for mekanisk ingeniørvesen og anvendt mekanikk. Han utvikler for tiden den nye teknologien ved å bruke en miljøkontrollert spenningkilde, eller ECVS, i stedet for batteri.

Med en ECVS produseres energi ved å bryte og danne kjemiske bindinger, og den kan holde vekten nede ved å finne kjemiske bindinger i robotens omgivelse. ECVS-enheten katalyserer en oksidasjonsreaksjon med omgivende luft når den kommer i kontakt med en metallflate, og dette er hva som driver roboten.

Pikul tok inspirasjon fra naturen, spesielt hvordan dyr danner kjemiske bindinger i form av mat som en kilde til kraft. Selv uten en «hjerne» søker disse nye ECVS-drevne robotene også etter sin matkilde.

Den nye studien ble publisert i Advanced Intelligent Systems.

Pikul ble sammen med labmedlemmene Min Wang og Yue Gao, og teamet demonstrerte hvordan ECVS-drevne roboter kunne navigere i omgivelsene uten behov for datamaskin. Hjulene på venstre og høyre side av roboten er drevet av forskjellige ECVS-enheter, og de demonstrerer grunnleggende navigasjon og foragingsevner når roboten automatisk beveger seg mot og «spiser» metalliske overflater.

Studien stoppet ikke der, men demonstrerte også hvordan mer komplisert atferd kunne oppnås uten en sentral prosessor. Roboten kan utføre forskjellige logiske operasjoner avhengig av sin matkilde, som oppnås ved å ha forskjellige romlige og sekvensielle arrangeringer av ECVS-enhetene.

“Bakterier er i stand til å selvstendig navigere mot næringsstoffer gjennom en prosess som kalles kemotaksis, hvor de sanser og reagerer på endringer i kjemiske konsentrasjoner,” sier Pikul. “Små roboter har lignende begrensninger som mikroorganismer, siden de ikke kan bære store batterier eller kompliserte datamaskiner, så vi ønsket å utforske hvordan vår ECVS-teknologi kunne gjenskape denne type atferd.”

Testing av roboten

Forskerne testet den nye roboten ved å plassere den på en aluminiumsoverflate som kan strømforsyne ECVS-enhetene, og de la deretter til «farer» som ville bryte kontakten mellom roboten og metallet. I eksperimentene var ECVS-enhetene i stand til å flytte roboten og navigere den mot energirike kilder.

“På noen måter,” sier Pikul, “er de som en tunge i og med at de både sanser og hjelper med å fordøye energi.”

En av farene som ble brukt av teamet var en kurvet sti av isolerende teip, og ved å koble ECVS-enhetene til hjulene på motsatt side, kunne roboten selvstendig følge metallstien mellom to linjer med teip. For eksempel ville ECVS-enheten på høyre side miste kraft først hvis stien kurvet til venstre, noe som ville få robotens venstre hjul til å sakke og bevege seg vekk fra faren.

Teamet brukte også en viskøs isolerende gelé som en fare, og roboten var i stand til å sakte viske den vekk mens den kjørte over den. Designet av roboten kan nå forbedres når forskerne lærer hva ECVS-en kan oppdage, og disse kan inkorporeres i designet av den.

“Kobling av ECVS-enhetene til motsatte motorer tillater roboten å unngå overflater den ikke liker,” sier Pikul. “Men når ECVS-enhetene er i parallell til begge motorer, fungerer de som en ‘ELLER’-port, i og med at de ignorerer kjemiske eller fysiske endringer som skjer under bare en strømkilde.”

“Vi kan bruke denne type kobling til å matche biologiske preferanser,” sier han. “Det er viktig å kunne skille mellom miljøer som er farlige og må unngås, og de som bare er ulempefulle og kan passeres hvis nødvendig.”

Selvstendige og datamaskinløse roboter vil være i stand til å utføre mer kompliserte atferd når ECVS-teknologien utvikles, og omgivelsene vil spille en stor rolle i ECVS-designet. For eksempel kunne små roboter utvikles for å navigere i farlige og trangt miljø.

“Hvis vi har forskjellige ECVS som er innstilt til forskjellige kjemier, kan vi ha roboter som unngår overflater som er farlige, men driver gjennom de som står i veien for et mål,” sier Pikul.