Insektoid robot
En insektoid robot är en, vanligtvis liten, robot som har några insektsliknande egenskaper. Dessa kan inkludera metoderna för förflyttning (inklusive flygning ), metoder för navigering och artificiell intelligens baserad på insektsmodeller. Många av de problem som miniatyrrobotdesigners ställs inför har lösts genom insektsutveckling. Forskare söker naturligtvis insekter för inspiration och lösningar.
Förflyttning
Gående
Robotrörelser har ofta inspirerats av insektsfysiologi. Dessa robotar tar vanligtvis formen av en hexapod . Forskningen har blivit tvärvetenskaplig och involverar inte bara robotingenjörer utan även biologer, särskilt neurobiologer . Ingenjörer vinner på detta förhållande genom att få en bättre förståelse för hur insekterna de har använt för att modellera sina robotar. Biologer i sin tur får en plattform där de kan testa sina teorier om insektsmotorkontroll.
Att bygga en robot som kan gå på en plan yta i laboratoriet är en ganska enkel uppgift. En hexapodrobot med mekaniskt länkade enkla pinnar för ben kommer att klara denna uppgift. Återigen kan en robot med hjul vara ännu enklare, men kan vara helt oförmögen att lösa det mycket svårare problemet med att korsa ojämn terräng med oförutsägbara hinder. För detta behövs ledade leder i benen som en riktig insekt, med sensormotorstyrning som en riktig insekts neurologi. En enkel rytmisk cykel av benen duger inte. Benen och lederna måste styras individuellt och i kombination enligt information som erhålls från lemläges- och belastningssensorer.
Insekternas gång förändras med önskad hastighet . Forskning har visat att dessa gångmönster fortfarande kan genereras lokalt hos många insekter även när de är helt bortkopplade från det centrala nervsystemet . Hos vissa insekter, till exempel kackerlackan, förändras gångarten hos en springande insekt delvis på grund av att insektens nervsystem inte kan reagera tillräckligt snabbt. En springande kackerlacka ändrar sin gång till att trycka med alla tre benen på ena sidan tillsammans. Djurets karaktäristiska sida-till-sida-rörelse är vid den biomekaniska resonansfrekvensen som ställs in av insektens vikt och fjäderstyvhet hos de kombinerade benen. Detta läge kräver ingen inmatning från en extern styrenhet och det är både effektivt och stabilt. Forskare inser fördelarna med egenskaper hos riktiga insekter, men från och med 2004 "har de bara sällan kommit samman i en robot..."
Flygande
.jpg)
För ett mycket litet flygplan blir flygning med fasta vingar opraktisk på grund av snabbt minskande lyft-till-drag-förhållande med storleken. Insektsflykt, å andra sidan, är alltid ornitopterisk , vilket antyder ett tillvägagångssätt för insektoidrobotar. Ma et al. utvecklade till exempel en tjudrad robotfluga med flaxande vingar gjorda av piezoelektriskt material . Ma valde att modellera roboten i farten eftersom det, enligt deras tidning, är den smidigaste varelsen som finns i livet och därför den svåraste att efterlikna som robot.
Artificiell intelligens
Insekter har mycket små resurser att ägna åt intelligens i mänsklig känsla av hjärnans bearbetningskraft . Antalet nervceller i en insekt varierar beroende på art från en miljon till så lite som tio tusen. Som jämförelse har människor 86 miljarder neuroner. Vidare är stora hjärnor extremt energihungriga. Insekter måste därför hitta andra metoder för att utveckla intelligens som att förkroppsliga intelligens i hårdvara, lokala sensor-motoranslutningar och svärmintelligens . En gång hoppades man att robotar skulle undvika behovet av sådana lösningar på grund av den snabbt ökande processorkraften och minskande storleken på datorer enligt Moores lag . Denna process verkar dock nå sin gräns och insektslösningar ser allt mer attraktiva ut.
Gårytmer oberoende av det centrala nervsystemet hos kackerlackor har redan nämnts. Ett stort genombrott inom flygande insektoidrobotar kom genom att tillämpa samma principer på vingarna. Försök att kontrollera vingarnas attackvinkel med en central processor var inte framgångsrika eftersom ett lyft till viktförhållande större än enhet inte kunde uppnås. Att ta bort processorn och låta vingarna rotera passivt med det naturliga frekvens minskade vikten tillräckligt för att möjliggöra kontrollerad insektoidflygning för första gången 2008 med en flugliknande robot. Roboten drevs dock externt genom en navelsträng snarare än helt fri flygning.
Svärmar av robotar kan lösa problem som inte är möjliga att lösa med en enda robots begränsade bearbetningsresurs. De är särskilt användbara i utforskningsuppgifter. De kan användas för att hitta den kortaste vägen till en destination och har föreslagits för att söka efter gaskällor i farliga miljöer. Ett annat förslag är robotar som självmonterar till en struktur för att låta svärmen passera en lucka på samma sätt som myror.
Flygande insekter har dålig visuell rumslig upplösning, måste reagera snabbt och har liten eller ingen avancerad neural bearbetningskraft. På grund av begränsningar av utrymme och vikt har flygande insektoidrobotar en mycket liknande uppsättning problem. År 2003, Franceschini et al. undersökt möjligheten att använda insektslösningar för att lösa robotnavigeringsproblem. Franceschini byggde en forskningsrobot baserad på en flugs neurala fysiologi. Roboten var egentligen inte en flygande robot, utan det var ett fordon med hjul. Syftet med forskningen var att visa att enkel sensor-motorstyrning med enbart visuell rörelsedetektering kunde navigera en kurs.
Att använda insektsintelligens i robotnavigering har pågått sedan 1986, men till en början togs det inte upp av ingenjörer som byggde robotar. Man ansåg att eftersom insekter saknar en visuell cortex , och därför inte kan utföra avancerad visuell bearbetning och bildbildning, skulle en robot baserad på sådan teknik inte vara särskilt framgångsrik. Franceschini hävdar att det inte är nödvändigt att ha en visuell cortex för navigeringsuppgiften, och det skulle i själva verket vara en onödig börda för en insektsrobot (både vikt och bearbetningstid skulle vara problem). Franceschini påpekar att många av de visuella systemen hos människor inte heller passerar genom synbarken. Det är inte alltid nödvändigt att forma bilder och identifiera föremål.
Bibliografi
- GCHE de Croon, JJG Dupeyroux, SB Fuller, JAR Marshall, " Insektsinspirerad AI för autonoma robotar", Science Robotics , vol. 7, nr. 67, 2022 doi : 10.1126/scirobotics.abl6334 .
- Fred Delcomyn, "Insect walking and robotics" , Annual Review of Entomology , vo. 49, s. 51–70, 2004.
- N. Franceschini, JM Pichon, C. Blanes, "Från insektssyn till robotsyn" , Philosophical Transactions of the Royal Society B , vol. 337, utg. 1281, 29 september 1992 doi : 10.1098/rstb.1992.0106 .
- Kevin Y. Ma, Pakpong Chirarattananon, Sawyer B. Fuller och Robert J. Wood, " Controlled flight of a biologically inspired, insekt-scale robot" , Science , vol. 340, iss. 6132, s. 603–607, 3 maj 2013 doi : 10.1126/science.1231806 .
- Bradley Voytek, "Finns det verkligen lika många neuroner i den mänskliga hjärnan som stjärnor i Vintergatan?" , Scitable , 20 maj 2013.
- Robert J. Wood, "Den första starten av en biologiskt inspirerad robotinsekt i stor skala", IEEE Transactions on Robotics, vol. 24, iss. 2, s. 341–347, april 2008 {{doi:10.1109/TRO.2008.916997}}.