Twisted Robots Navigerar Genom Komplexa Labyrinter Utan Människor eller Programvara

Ett team av forskare vid North Carolina State University och University of Pennsylvania har utvecklat mjuka robotar som kan navigera i komplexa miljöer utan mänsklig inblandning eller datorprogram.

Artikeln med titeln “Twisting for Soft Intelligent Autonomous Robot in Unstructured Environments” publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Demonstrering Fysisk Intelligens

Jie Yin är huvudförfattare till forskningsartikeln och biträdande professor i maskin- och rymdingenjörsvetenskap vid NC State.

“Dessa mjuka robotar demonstrerar ett begrepp som kallas ‘fysisk intelligens’, vilket innebär att den strukturerade designen och de smarta materialen är vad som tillåter den mjuka roboten att navigera i olika situationer, snarare än beräkningsmässig intelligens”, säger Yin.

De mjuka robotarna konstruerades med flytande kristall-elastomerer i form av en twisted remsa. När remsan placeras på en yta som är minst 55 grader Celsius, kontraherar den delen av remsan som vidrör ytan. Samtidigt förblir den delen av remsan som är exponerad för luften densamma. Detta resulterar i en rullande rörelse, och ju varmare ytan blir, desto snabbare rullar roboten.

“Detta har gjorts tidigare med släta stavar, men den formen har en nackdel – när den möter ett föremål, spinner den bara på plats”, säger Yin. “Den mjuka roboten vi har skapat i en twisted remsa-form är kapabel att förhandla dessa hinder utan någon mänsklig eller datorbaserad inblandning alls.”

Uppnående Navigation Utan Programvara

Roboten kan utföra detta på två sätt. När ena änden av remsan möter ett föremål, roterar den något för att manövrera runt hindret. När den centrala delen av roboten möter ett föremål, “snäpper” den, vilket är en snabb frigörelse av lagrad deformationsenergi som orsakar att remsan hoppar något och omorienterar sig innan den landar. Remsan kan snäppa mer än en gång innan den hittar rätt orientering som möjliggör den att förhandla hindret.

“På det sättet är det ganska likt de robotdammsugare som många människor använder i sina hem”, säger Yin. “Förutom att den mjuka roboten vi har skapat drar energi från sin omgivning och fungerar utan någon datorprogrammering.”

Yao Zhao är första författare till artikeln och en postdoktorand vid NC State.

“De två åtgärderna, rotation och snäppning, som tillåter roboten att förhandla hinder, fungerar på en gradient”, säger Zhao. “Den kraftfullaste snäppningen inträffar om ett föremål vidrör mitten av remsan. Men remsan kommer fortfarande att snäppa om ett föremål vidrör remsan utanför mitten, det är bara mindre kraftfullt. Och ju längre bort från mitten, desto mindre uttalad snäppningen, tills man når den sista femtedelen av remsans längd, som inte producerar någon snäppning alls.”

Forskarteamet genomförde flera experiment som visade hur den remsa-formade roboten kan navigera i en mängd olika labyrintliknande miljöer. De visade också att de mjuka robotarna skulle fungera effektivt i ökenmiljöer eftersom de kan klättra och gå nerför sluttningar av lös sand.

“Detta är intressant och roligt att titta på, men viktigare är att det ger nya insikter om hur vi kan designa mjuka robotar som kan skörda värmeenergi från naturliga miljöer och autonomt förhandla komplexa, ostrukturerade miljöer som vägar och hårda öknar.” Yin säger.

Artikeln var också skriven av NC State-doktoranderna Yinding Chi, Yaoye Hong och Yanbin Li; samt Shu Yang, som är Joseph Bordogna-professor i materialvetenskap och teknik vid University of Pennsylvania.