Sag hallo zu Partikelrobotern


Wenn man an Roboter denkt, denkt man vielleicht zuerst an:Androiden, wie in Science-Fiction-Filmen und Fernsehsendungen wie „Star Wars“ oder „Die Orville“. Oder stellen Sie sich vorIndustrieroboterdie Autos am Fließband bauen. Beide Arten von Real- und Science-Fiction-Robotern bestehen aus vielen komplexen Teilen. Sie sind in der Regel für einen bestimmten Zweck konzipiert.

Jetzt sagen Forscher des MIT, der Columbia University, der Cornell University und der Harvard University, dass sie versuchen, die Robotik grundlegend zu überdenken. Zu diesem Zweck haben sie ein neuartiges Robotersystem entwickelt –Partikelroboter– inspiriert vom Verhalten biologischer Zellen. Ist die Entwicklung von Partikelrobotern ein Schritt in Richtung Zukunftgraue Schmiered.h. Roboter bestehend ausMilliardenvon Nanopartikeln? Vielleicht. Die Forscher sagen, dass sie an Roboter denken, die neue Terrains erkunden oder verschmutzte Gebiete säubern könnten. Sieangekündigtihr neues Konzept am 20. März 2019. Die dazugehörigenpeer-reviewedArtikel wurde in der Zeitschrift veröffentlichtNaturam selben Tag.


Wie der Name schon sagt, bestehen diese Roboter aus „Partikeln“ – einzelnen und identischen scheibenförmigen Einheiten, die durch Magnete um ihren Umfang herum lose verbunden sind. Die Teilchen können sich nur ausdehnen und zusammenziehen; das hört sich nicht nach viel an, aber wenn ihre Bewegungen sorgfältig abgestimmt sind, drücken und ziehen sie in einer koordinierten, reibungslosen Bewegung aneinander.

Sie können sogar zu Lichtquellen navigieren. Wie erklärt vonDaniela Russ, Direktor des Labors für Informatik und Künstliche Intelligenz (CSAIL) und der Andrew und Erna Viterbi Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT:

Wir haben kleine Roboterzellen, die als Einzelne nicht so leistungsfähig sind, aber als Gruppe viel erreichen können. Der Roboter an sich ist statisch, aber wenn er sich mit anderen Roboterpartikeln verbindet, kann das Roboterkollektiv plötzlich die Welt erkunden und komplexere Aktionen steuern. Mit diesen „universellen Zellen“ können die Roboterteilchen unterschiedliche Formen, globale Transformationen, globale Bewegungen, globales Verhalten erreichen und, wie wir in unseren Experimenten gezeigt haben, Lichtgradienten folgen. Dies ist sehr mächtig.

Obwohl die Partikel als eine Einheit fungieren, kommunizieren sie nicht direkt miteinander, sodass Partikel nach Bedarf entfernt oder hinzugefügt werden können. Selbst wenn mehrere Partikel eine Fehlfunktion aufweisen, können sie dennoch Aufgaben ausführen. Sie sind auch sehr flexibel, können Hindernisse umgehen und sich durch enge Lücken quetschen. Laut den Forschern könnten diese Robotertypen skalierbarere, flexiblere und robustere Systeme ermöglichen.




Wie also funktionieren und interagieren diese Teilchen miteinander?

Da die Partikel Scheiben sind, können sie sich umeinander drehen – so ähnlichGetriebe– sowie Verbinden und Trennen, wodurch viele verschiedene Konfigurationen gebildet werden. Sie sind so programmiert, dass sie sich in einer genauen Reihenfolge zusammenziehen und ausdehnen – dies schiebt und zieht die gesamte Anordnung von Partikeln in Richtung einer Lichtquelle. Die Teilchen habenAlgorithmendie gesendete Informationen über die Lichtintensität jedes anderen Partikels analysieren, ohne dass eine direkte Partikel-zu-Partikel-Kommunikation erforderlich ist.

10 runde Scheiben mit winzigen Armen an den Rändern, Maschinen in der Mitte.

Eine andere Ansicht von Scheiben in einem Partikelroboter. Bild über Columbia Engineering.

Verbundenes Array von kreisförmigen Partikelrobotern, die sich auf eine Lichtquelle zubewegen.

Partikelroboter können die kombinierten Bewegungen der Partikel nutzen, um sich als eine Einheit auf eine Lichtquelle zu bewegen. Bild über Columbia Engineering.


Jedes Partikel erkennt die Intensität des Lichts einer Lichtquelle und das von ihm gesendete Signal teilt diese berechnete Intensität mit jedem anderen Partikel. Erwartungsgemäß ist die Intensität umso stärker, je näher sich ein Teilchen an der Lichtquelle befindet. Partikel, die die höchste Lichtintensität erkennen, dehnen sich zuerst aus. Dann dehnen sich die nächsten Partikel der Reihe nach aus, wenn sich die ersten Partikel wieder zusammenziehen. Ein genaues Timing von einer gemeinsamen synchronisierten Uhr zwischen den Partikeln ist wesentlich.Shuguang Li, ein CSAIL-Postdoc am MIT, erklärte es so:

Dies erzeugt eine mechanische Expansions-Kontraktions-Welle, eine koordinierte Schub- und Ziehbewegung, die einen großen Cluster auf Umweltreize zu oder von ihnen weg bewegt. Wenn Sie die synchronisierte Uhr durcheinander bringen, arbeitet das System weniger effizient.

Die Ergebnisse können außergewöhnlich sein – selbst simulierte Cluster von bis zu 10.000 Partikeln hielten ihre Bewegung mit halber Geschwindigkeit aufrecht, wenn bis zu 20 Prozent der Partikel versagten. EntsprechendHod Lipsonbei Columbia Engineering:

Es ist ein bisschen wie das sprichwörtliche „Grey Goo“. Die entscheidende Neuheit hier ist, dass Sie eine neue Art von Roboter haben, die keine zentrale Steuerung, keinen Single Point of Failure, keine feste Form hat und seine Komponenten keine eindeutige Identität haben.


C-3PO und R2-D2.

Wenn die meisten Leute an Roboter denken, kommen einem vielleicht solche wie C-3PO und R2-D2 aus Star Wars in den Sinn. Bild überGordon Tarpley, CC BY-SA.

Die Zukunft dieser neuen Robotertechnologie ist noch erstaunlicher – Roboter bestehend ausMillionensolcher Partikel, die alle im Einklang zusammenarbeiten. Wienotiert von Lipson:

Wir glauben, dass es eines Tages möglich sein wird, solche Roboter aus Millionen winziger Partikel herzustellen, wie Mikrokügelchen, die auf Geräusche oder Licht oder chemische Gradienten reagieren. Solche Roboter könnten verwendet werden, um beispielsweise Bereiche aufzuräumen oder unbekannte Terrains/Strukturen zu erkunden.

Wir haben versucht, unseren Ansatz zur Robotik grundlegend zu überdenken, um herauszufinden, ob es einen Weg gibt, Roboter anders zu machen. Einen Roboter nicht nur wie ein biologisches Wesen aussehen zu lassen, sondern ihn tatsächlich wie ein biologisches System zu konstruieren, um etwas zu schaffen, das an Komplexität und Fähigkeiten enorm ist und dennoch aus im Grunde einfachen Teilen besteht.

Nahaufnahme Draufsicht auf grüne kreisförmige Scheiben mit radialen Maschinen und Armen.

Diese scheibenförmigen Partikel gruppieren sich zu einem „Partikelroboter“, der sich auf Licht zubewegen und andere Objekte tragen kann. Bild über Felice Frankel/MIT.

Fazit: Robotiker haben die Art und Weise, wie sie Roboter bauen, überdacht. Partikelroboter sehen nicht wie biologische Kreaturen aus, aber sie sind wie biologische Systeme aufgebaut, von großer Komplexität und Fähigkeiten, aber dennoch aus im Grunde einfachen Teilen zusammengesetzt. Sind Partikelroboter ein Schritt in Richtung des sprichwörtlichen „Grey Goo“?

Quelle: Partikelrobotik basierend auf statistischer Mechanik lose gekoppelter Komponenten

Via MIT News

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