Четвероногий шагающий робот меньше муравьиной головы

Original author: Evan Ackerman
  • Translation

Насколько нам известно, самый маленький шагающий робот в мире




Несколько лет назад Spectrum IEEE уже писал о самом крохотном из существовавших тогда четвероногих роботов – размером всего в 20 мм, с высотой ног 5,6 мм и весом 1,5 гр. Его разработчик Райан Сен-Пьер из лаборатории Сары Бергбрейтер при Мэрилендском университете также продемонстрировал нам фотографию ещё меньшего по размеру робота весом всего 100 мг. Когда мы увидели всё это на конференции ICRA 2016, мы спросили Райана, не собирается ли он идти дальше по пути уменьшения:

«Всегда интересно решить задачу изготовления роботов наименьшего возможного размера, — сказал он нам. – Пока я работаю над созданием робота по той же схеме длиной 2,5 мм, что на порядок меньше представленных нами на ICRA. Роботам меньшего размера проще проникнуть в такие места, куда не пролезут большие, а разнообразие в размерах увеличивает их полезность».

Но, оказалось, что одного порядка недостаточно, и вместо этого Сен-Пьер разработал четвероногого робота в 10 раз меньше, чем планировал: он весит всего миллиграмм, и меньше муравьиной головы.

Райан отправил нам видеоролики с работающим роботом, хотя в них трудно представить, насколько он мал. Для масштаба представляйте себе муравья – он и целиком-то не особо велик, длиной всего пару сантиметров, а размеры микроробота составляют 2,5 мм × 1,6 мм × 0,7 мм. Его схема напоминает роботов с вращающимися конечностями, типа RHex, масса которого в миллион раз больше, чем у данного микрочетвероногого.


Как и его предшественники, данный робот слишком мал для использования традиционной электроники или моторов. Его ногами управляют внешние магнитные поля, влияющие на крохотные кубические магниты, встроенные в ноги. Вращающиеся магнитные поля заставляют вращаться магниты, которые придают ногам скорость вращения до 150 Гц. По-разному располагая магниты в ногах, можно добиться разных типов походки. Максимальная скорость робота составляет впечатляющие 37,3 мм/с, или 14,9 длин его тела в секунду, и, что удивительно, робот оказался довольно выносливым, пережив миллион циклов работы «без видимых признаков износа или уменьшения эффективности».

Чтобы узнать побольше, включая реальные примеры использования подобных роботов, мы пообщались по емейлу с Райаном Сен-Пьером.

IEEE Spectrum: Можно ли сравнить ваших роботов с другими шагающими роботами мелкого масштаба?

Райан Сен-Пьер: В этой работе представлен один из самых маленьких и быстрых микророботов, использующих ноги для передвижения. Есть микророботы и поменьше, но они обычно для передвижения используют не ноги. Эта работа помогает улучшать понимание динамики передвижения на миллиграммовых масштабах, как в робототехнике, так и в биологии.


Робот весом в миллиграмм рядом с головой засушенного тропического муравья paraponera clavata

В работе утверждается, что ориентация магнитов в ногах приводит к прыжковой манере движения робота. Почему была выбрана такая походка и каковы могут быть потенциальные преимущества других походок?

Походку можно задать механически, выбирая ориентацию магнитов относительно друг друга. Изначально я избрал прыжковый вариант, когда все четыре магнита направлены в одну сторону, чтобы облегчить ручную сборку и расположение магнитов. В последующих версиях я использовал движение рысью, когда совпадало расположение магнитов по диагонали. Походка оказывается важной при движении по гладким и пересечённым участкам местности, и, вероятно, при смене поверхности необходимо менять походку, но на данном этапе проекта это не представляется возможным.

Каково потенциальное применение четвероногих роботов такого размера?

Самое первое – помочь понять динамику передвижения при помощи ног на миллиграммовых масштабах, и получить более репрезентативные вычислительные и физические модели бега муравьёв. Улучшение понимания фундаментальных принципов передвижения на миллиграммовых масштабах будет полезным для разработки и управления автономными роботами такого масштаба.

А можно сделать робота ещё меньше? Каковы будут преимущества и сложности?

Однозначно возможно. Всё зависит от доступной технологии производства магнитного материала и тела робота. Но если уменьшить размер, оставив схему передачи усилий на ноги прежней, могут возникнуть проблемы. Начнут доминировать силы трения в местах сочленений, что потребует увеличения крутящей мощности для поворота ног, и уменьшит эффективность передвижения. Уменьшение размера по сравнению с текущим миллиграммом потребует изменения двигательной стратегии. Однако уменьшение масштабов без изменения схемы работы и передачи усилий даст нам идеи по поводу масштабирования наземного передвижения при помощи ног, раскроет фундаментальные ограничения на передвижение и даст идеи по поводу эволюционного давления в биологических системах.

Признаюсь, я разочарован отсутствием планов немедленно заслать этих мелких роботов внутрь нашего тела, чтобы они там бегали и всё исправляли, однако цели ближайшего времени, связанные с изучением движения роботов с ногами на малых масштабах, могут стать очень малыми шажками в этом направлении.

Работа «Созданный на 3D-принтере миллиграммовый робот с ногами, передвигающийся со скоростью 15 длин своего тела в секунду», сделанная Райаном Сен-Пьером, Уолкером Госричем и Сарой Бергбрейтер из Мэрилендского университета (которые теперь работают в Университете Карнеги-Меллона) была представлена на конференции 2018 Hilton Head Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop, где получила награду за лучшую работу.
  • +12
  • 5.3k
  • 9
Support the author
Share post

Comments 9

    +1
    Для масштаба представляйте себе муравья – он и целиком-то не особо велик, длиной всего пару сантиметров, а размеры микроробота составляют 2,5 мм
    Судя по сравнительным размерам и фото — там весьма нехреновые муравьи!
      0
      2см же. Какие-то муравьи-мутанты.
      +1
      От того, что колёса некруглой формы, робот же не становится шагающим… или становится?
        0
        Начать стоит с определения того, что такое «шаг».
        +4
        Не понятно почему это устройство роботом называют.
          0
          А муравей-то криповый!
            0
            Сбивает с толку фраза про муравья, который в миллион раз тяжелее. Если этот «наноробот» весит 1мг, то муравей что же, 1кг?
              0
              Там не муравей в миллион раз тяжелее, а робот RHex.
              +1
              данный робот слишком мал для использования традиционной электроники или моторов. Его ногами управляют внешние магнитные поля

              Без электроники и автономности — это, увы, всего лишь игрушка. :(
              Если электроники нет, то её нужно создать — китайцы с радостью выполнят подобный заказ.

              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.