Metallätande robot kan följa metallväg utan dator eller batteri

En nyligen utvecklad “metallätande” robot kan följa en metallväg utan behov av en dator eller batteri. Roboten kan självständigt navigera mot aluminiumytor och bort från faror tack vare att strömförsörjningsenheterna är kopplade till hjulen på motsatt sida.

Batterier är en av de stora hindren inom robotteknik. Ju mer energi de har, desto tyngre är de. Detta betyder att roboten också måste ha mer energi för att röra sig, och medan vissa kraftkällor som solceller är användbara i vissa tillämpningar, behövs det en mer konsekvent, snabb och hållbar metod.

James Pikul är biträdande professor i Penn Engineerings avdelning för maskinteknik och tillämpad mekanik. Han utvecklar för närvarande den nya tekniken genom att förlita sig på en miljökontrollerad spänningsekälla, eller ECVS, istället för ett batteri.

Med en ECVS produceras energi genom att bryta och bilda kemiska bindningar, och den kan hålla vikten nere genom att hitta kemiska bindningar i robotens miljö. ECVS-enheten katalyserar en oxidationreaktion med omgivande luft när den kommer i kontakt med en metallisk yta, och detta är vad som driver roboten.

Pikul drog inspiration från naturen, särskilt genom att titta på hur djur skapar kemiska bindningar i form av mat som en källa till kraft. Även utan en “hjärna” söker dessa nya ECVS-drivna robotar efter sin “matkälla”.

Den nya studien publicerades i Advanced Intelligent Systems.

Pikul var tillsammans med labbmedlemmarna Min Wang och Yue Gao, och teamet demonstrerade hur ECVS-drivna robotar kunde navigera i miljön utan behov av en dator. De vänstra och högra hjulen på roboten drivs av olika ECVS-enheter, och de visar grundläggande navigations- och letande förmågor när roboten automatiskt rör sig mot och “äter” metalliska ytor.

Studien slutade inte där, utan den visade också hur mer komplicerat beteende kunde uppnås utan en central processor. Roboten kan utföra olika logiska operationer beroende på dess “matkälla”, vilket uppnås genom att ha olika rumsliga och sekventiella arrangemang av ECVS-enheterna.

“Bakterier kan självständigt navigera mot näringsämnen genom en process som kallas kemotaxi, där de känner och svarar på förändringar i kemisk koncentration,” säger Pikul. “Små robotar har liknande begränsningar som mikroorganismer, eftersom de inte kan bära stora batterier eller komplicerade datorer, så vi ville undersöka hur vår ECVS-teknik kunde reproducera det här beteendet.”

Testning av roboten

Forskarna testade den nya roboten genom att placera den på en aluminiumyta som kunde ge ström till dess ECVS-enheter, och de lade sedan till “faror” som skulle bryta kontakten mellan roboten och metallen. I experimenten kunde ECVS-enheterna flytta roboten och navigera den mot energirika källor.

“På något sätt,” säger Pikul, “är de som en tunga, eftersom de både känner och hjälper till att bryta ner energi.”

En av farorna som teamet använde var en kurvad bana av isolerande tejp, och genom att koppla ECVS-enheterna till hjulen på motsatt sida kunde roboten självständigt följa metallbanan mellan två linjer av tejp. Till exempel skulle ECVS-enheten på höger sida förlora kraft först om banan krökte till vänster, vilket orsakade att robotens vänsterhjul saktade och rörde sig bort från faran.

Teamet använde också en viskös isolerande gel som en fara, och roboten kunde långsamt torka bort den medan den körde över den. Robotens design kan nu förbättras när forskare lär sig vad ECVS kan upptäcka, och dessa kan införlivas i robotens design.

“Att koppla ECVS-enheterna till motsatta motorer tillåter roboten att undvika ytor som den inte gillar,” säger Pikul. “Men när ECVS-enheterna är parallella med båda motorerna fungerar de som en “eller”-grind, så att de ignorerar kemiska eller fysiska förändringar som sker under en enda strömkälla.”

“Vi kan använda den här typen av koppling för att matcha biologiska preferenser,” säger han. “Det är viktigt att kunna skilja på miljöer som är farliga och måste undvikas, och de som är besvärliga men kan passeras om det är nödvändigt.”

Självständiga och datorlösa robotar kommer att kunna utföra mer komplexa beteenden när ECVS-tekniken utvecklas, och den omgivande miljön kommer att spela en stor roll i ECVS-designen. Till exempel kan små robotar utvecklas för att navigera i farliga och trånga miljöer.

“Om vi har olika ECVS som är inställda på olika kemier, kan vi ha robotar som undviker ytor som är farliga, men som ger kraft till de som står i vägen för ett mål,” säger Pikul.