Ρομπότ κάνουν άλματα, επικοινωνούν και συνεργάζονται σαν μυρμήγκια

στις

Από την σύνοψη της εργασίας που δημοσιεύθηκε στο Nature
Επιμέλεια-Μετάφραση: Πυθεύς

Στις αποικίες μυρμηγκιών η συλλογικότητα επιτρέπει τον καταμερισμό εργασιών και πόρων σε ευρεία κλίμακα.

Πέρα από τις πολύπλοκες κοινωνικές τους συμπεριφορές, άτομα του γένους Odontomachus, γνωστά για τα σαγόνια τους που λειτουργούν σαν παγίδες, έχουν αναπτύξει αξιοσημείωτους μηχανισμούς πολλαπλών κινήσεων ώστε να διαφεύγουν με άλμα σε ύψος από ενδεχόμενη απειλή σφραγίζοντας απότομα τις δαγκάνες τους και για να υπερπηδούν εμπόδια με εμπρόσθια άλματα χρησιμοποιώντας τα άκρα τους.

Η εξομοίωση τόσο διαφορετικών κινήσεων των εντόμων και η μελέτη συλλογικών συμπεριφορών σε ποικιλία περιβαλλόντων ενδέχεται να οδηγήσει στην ανάπτυξη πολυκινητικών ρομποτικών συλλογικοτήτων αξιοποιήσιμων σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, εξερεύνησης και παρακολούθησης· βασική πρόκληση ωστόσο παραμένει η προσομοίωση αυτών των ικανοτήτων με μικρής κλίμακας ρομποτικά συστήματα, απέριττου σχεδιασμού και κλιμακούμενης δυνατότητας.

Οι υπάρχουσες ρομποτικές συλλογικότητες περιορίζονται σε δισδιάστατες επιφάνειες λόγω κινητικών περιορισμών και μεμονωμένα ρομπότ πολλαπλών κινήσεων είναι δύσκολο να κλιμακωθούν σε πολυπληθείς ομάδες λόγω αύξησης της πολυπλοκότητας, του μεγέθους και του κόστους δημιουργίας του εξοπλισμού τα οποία παρακωλύουν την μαζική παραγωγή.

Με την εργασία αυτή παρουσιάζουμε ένα αυτόνομο ρομπότ, πολλαπλών κινήσεων, σε κλίμακα εντόμου, εμπνευσμένο από τα μυρμήγκια με τα σαγόνια-παγίδες, το οποίο αντιμετωπίζει τις προκλήσεις στο σχεδιασμό και την επεκτασιμότητα των επίγειων ρομπότ μικρής κλίμακας.

Ο συμπαγής μηχανισμός κίνησης του ρομπότ είναι κατασκευασμένος από ελάχιστα μέρη και στάδια συναρμολόγησης, έχει συντονιζόμενες απαιτήσεις ισχύος και πραγματοποιεί πέντε διακριτά διασκελίσματα: κάθετο άλμα για ύψος, οριζόντιο άλμα για απόσταση, άλμα με περιστροφή για προσπέραση εμποδίων, βηματισμός σε ανώμαλο έδαφος και κίνηση σε επίπεδες επιφάνειες.

Ασύζευκτο, το ρομπότ του χιλιοστού μπορεί επιλεκτικά να εναλλάξει διασκελισμούς ώστε να προωθηθεί σε ποικίλα είδη επιφανειών και ομάδες τέτοιων ρομπότ μπορούν να λειτουργήσουν συλλογικά ώστε να χειριστούν αντικείμενα και να ξεπεράσουν εμπόδια.

Κατασκευάσαμε το δέκα γραμμαρίων και μεγέθους παλάμης πρωτότυπο —το μικρότερο και ελαφρύτερο αυτόνομο ρομπότ πολλαπλών κινήσεων που έχει παρουσιαστεί μέχρι σήμερα — πτυχώνοντας ένα οιωνεί δισδιάστατο διαδοχικών στρώσεων μεταϋλικό¹ που απαρτίζεται από μηχανικά και ηλεκτρονικά επίπεδα τα οποία συσσωματώνονται με ευκολία, κάτι τι οποίο επιτρέπει μαζική παραγωγή μη συναρμολογούμενων ρομπότ υψηλής απόδοσης, ευελιξίας και διαθεσιμότητας.

(¹υλικό που δεν υπάρχει στη φύση, αλλά κατασκευάζεται θεωρητικά και στη συνέχεια εργαστηριακά)

provided by

A team of EPFL researchers has developed tiny 10-gram robots that are inspired by ants: they can communicate with each other, assign roles among themselves and complete complex tasks together. These reconfigurable robots are simple in structure, yet they can jump and crawl to explore uneven surfaces. The researchers have just published their work in Nature.

Individually, ants have only so much strength and intelligence. However, as a colony, they can use complex strategies to complete sophisticated tasks and evade larger predators.

At EPFL, robotics researchers in Professor Jamie Paik’s Laboratory have reproduced this phenomenon, developing tiny robots that display minimal physical intelligence on an individual level but that are able to communicate and act collectively. Despite being simple in design and weighing only 10 grams, each robot has multiple locomotion modes to navigate any type of surface. Collectively, they can quickly detect and overcome obstacles and move objects much larger and heavier than themselves. The related research has been published in Nature.

photo: Marc Delachaux / EPFL

Robots inspired by trap-jaw ants

These three-legged, T-shaped origami robots are called Tribots. They can be assembled in only a few minutes by folding a stack of thin, multi-material sheets, making them suitable for mass production. Completely autonomous and untethered, Tribots are equipped with infrared and proximity sensors for detection and communication purposes. They could accommodate even more sensors depending on the application.

“Their movements are modeled on those of Odontomachus ants. These insects normally crawl, but to escape a predator, they snap their powerful jaws together to jump from leaf to leaf,” says Zhenishbek Zhakypov, the first author. The Tribots replicate this catapult mechanism through an elegant origami design that combines multiple shape-memory alloy actuators. As a result, a single robot can produce five distinct locomotion gaits: vertical jumping, horizontal jumping, somersaulting to clear obstacles, walking on textured terrain and crawling on flat surfaces – just like these creatively resilient ants.

Roles: leader, worker and explorer

Despite having the same anatomy, each robot is assigned a specific role depending on the situation. ‘Explorers’ detect physical obstacles in their path, such as objects, valleys and mountains. After detecting an obstacle, they inform the rest of the group. Then, the ‘leader’ gives the instructions. The ‘workers,’ meanwhile, pool their strength to move objects. “Each Tribot, just like Odontomachus ants, can have different roles. However, they can also take on new roles instantaneously when faced with a new mission or an unknown environment, or even when other members get lost. This goes beyond what the real ants can do,” says Paik.

Future applications

In practical situations, such as an emergency search mission, Tribots could be deployed en masse. And thanks to their multi-locomotive and multi-agent communication capabilities, they could locate a target quickly over a large surface without relying on GPS or visual feedback. “Since they can be manufactured and deployed in large numbers, having some ‘casualties’ would not affect the success of the mission,” adds Paik.““With their unique collective intelligence, our tiny robots can demonstrate better adaptability to unknown environments; therefore, for certain missions, they would outperform larger, more powerful robots.”

This work is the result of a joint collaboration between EPFL and Osaka University

References