Robotica-ingenieurs maken cyborg-kakkerlakken, robotvliegen en meer

Zware robots zijn beperkt in wat ze kunnen doen. Het bouwen van kleinere, wendbare robots, vergelijkbaar met hoe insecten bewegen en werken, zou de mogelijkheden van robots aanzienlijk kunnen vergroten.

“Als we denken aan insectenklussen die dieren niet kunnen doen, inspireert het ons om na te denken over wat kleinere robots kunnen en grotere robots niet”, zegt Kevin Chen, assistent-professor elektrotechniek aan het MIT.

Google traint zijn bots om meer mensachtig te zijn

De meeste ontwikkelingen zitten in de onderzoeksfase, jaren marketing. Maar ze bieden verleidelijke oplossingen voor tal van industrieën, waaronder noodhulp, landbouw en energie.

Experts zeiden dat het onderzoek om verschillende redenen snel verloopt. Elektronische sensoren worden steeds kleiner en beter, grotendeels dankzij smartwatch-onderzoek. Productietechnologieën zijn geëvolueerd, waardoor het gemakkelijker is om kleine onderdelen te bouwen. De technologie voor kleine batterijen verbetert ook.

Maar er zijn nog veel uitdagingen. Kleine robots kunnen de werklast van een grotere robot niet kopiëren. Hoewel de batterijen zijn verbeterd, moeten ze kleiner en krachtiger zijn. De miniatuuronderdelen die energie omzetten in geautomatiseerde beweging, actuatoren genaamd, moeten efficiënter worden. Sensoren moeten lichter zijn.

“We beginnen met te kijken hoe insecten deze problemen oplossen en we boeken aanzienlijke vooruitgang”, zegt Sawyer B. Fuller, een assistent-professor die leiding geeft aan het Autonomous Insect Robotics Laboratory van de University of Washington. “Maar er zijn veel dingen… die we nog niet hebben.”

Veel van het onderzoek naar insectenrobots kan worden onderverdeeld in een paar gebieden, aldus de onderzoekers. Sommige wetenschappers bouwen een volledige robot om de beweging en grootte van echte insecten, zoals bijen en blikseminsecten, na te bootsen. Anderen zetten elektronica op en controleren levende insecten, waardoor ze in wezen cyborgs creëren (wezens met zowel organische als mechanische aspecten). Terwijl sommigen experimenteren met een hybride – verbinden delen van een levend insect, zoals antennes, met een robot.

Robotingenieurs begonnen ongeveer 10 tot 15 jaar geleden met het zoeken naar insecten voor inspiratie. Op dat moment bestudeerden slechts enkele onderzoekslaboratoria het. “Tien jaar geleden vond ik het eerlijk gezegd meer als sciencefiction klinken,” zei Chen.

Maar in de loop der jaren zijn er meer onderzoekers de ruimte binnengekomen, grotendeels als gevolg van technologische vooruitgang. Chen voegde eraan toe dat veel van de activiteit wordt aangedreven door ontwikkelingen in koolstofvezels en lasers, die op kleine schaal “zeer coole functies en complexe structuren” kunnen maken.

Elektronische sensoren zijn ook verbeterd, grotendeels omdat smartphones en smartwatches onderzoek aanspoorden om kleinere elektronische onderdelen te maken.

“Als je aan je smartphone denkt, zitten er veel sensoren in”, zei Chen. “Je kunt echt profiteren van veel van deze sensoren of die sensoren in kleinschalige robots plaatsen.”

Kenjiro Fukuda, een onderzoeker aan het Riken Institute for Thin Devices in Japan, leidt een team dat 3D-geprinte sensoren bevestigt aan sissende Madagaskar-krekels. De sensoren werken als een kleine rugzak met daarin zonnepanelen voor stroom; Een blauw getande sensor voor afstandsbediening en gespecialiseerde computers maakt verbinding met de buik van de kakkerlak en stuurt kleine schokken om hem naar links of rechts te sturen.

Fukuda stelt zich voor dat deze cyborg-kakkerlakken helpen in noodsituaties, zoals een aardbeving. Hij zei dat overlevenden mogelijk onder het puin liggen en moeilijk te zien zijn met het blote oog.

Kakkerlakken kunnen op afstand worden bestuurd door ze in het puin los te laten met behulp van kooldioxidesensoren en camera’s op hun rug, waardoor mensen die redding nodig hebben kunnen worden gevonden.

“Grote mensen kunnen niet onder het puin komen”, zei Fukuda. “Kleine beestjes of kleine robots kunnen dat.”

Fukuda zei dat hij deze aanpak ook zou kunnen toepassen op andere insecten met grote schelpen, zoals kevers en krekels. Maar er moeten verschillende verbeteringen worden aangebracht aan het batterijontwerp en de hoeveelheid stroom die de onderdelen trekken voordat deze oplossing in het echte leven kan worden ingezet, zei hij.

Als het op cyborgs aankomt, is niet iedereen enthousiast. Jeff Sebo, hoogleraar bio-ethiek bij dieren aan de New York University, zei dat hij bezorgd is dat levende insecten zich door mensen gecontroleerd voelen terwijl ze zware technologie bij zich hebben. Hij zei dat het onduidelijk is of ze daardoor pijn of angst voelen, maar dat betekent niet dat mensen het moeten negeren.

“We bewijzen niet eens lippendienst aan hun welzijn of hun rechten”, zei hij. “We gaan niet eens door met suggereren dat er wetten, beleid of beoordelingscommissies zijn, zodat we kunnen proberen en meedogenloos proberen de schade die we hen opleggen te minimaliseren.”

Chen maakt vliegende robots van blikseminsecten. Dit zijn volledig geautomatiseerde machines die de manier waarop insecten bewegen, communiceren en vliegen nabootsen.

Geïnspireerd door de manier waarop blikseminsecten elektroluminescentie gebruiken om in het echte leven te gloeien en te communiceren, bouwde het team van Chen zachte kunstmatige vliegspieren die de vleugels van de robot besturen en kleurrijk licht uitstralen terwijl hij vliegt.

Dit zou een zwerm van deze robots in staat kunnen stellen met elkaar te communiceren en zou kunnen worden gebruikt om gewassen op verticale boerderijen of zelfs in de ruimte te bestuiven, zei Chen.

“Als ik gewassen in de ruimte wilde verbouwen, [I want] Bestuiving,” zei hij. “In dit scenario zou een vliegende robot veel handiger zijn dan het sturen van bijen.”

Fuller zei dat hij naar bugs kijkt als hij kleine robots maakt, omdat het zoveel beter is dan op zijn verbeelding te vertrouwen. “Je ziet insecten gekke dingen doen die je op menselijk niveau niet zou kunnen doen,” zei hij. “We kijken alleen naar hoe insecten dat doen.”

Het team van Fuller werkt aan het bouwen van een robotvlieg. Net als cyborg-kakkerlakken kunnen vliegen worden gebruikt voor zoek- en reddingsmissies. Ze kunnen ook worden losgelaten om te vliegen en te zoeken naar chemische lekken in de lucht of scheuren in de pijpleidinginfrastructuur.

“Je opent een zak en deze kleine robotvliegjes vliegen rond,” zei hij. ‘Als je dan weet waar het lek zit, kun je het corrigeren.’

Fuller zei dat hij erkent dat er nog een lange weg te gaan is voordat zijn bots het kunnen. Het zou moeilijk zijn om alle sensoren, powerpacks en onderdelen te miniaturiseren die robots nodig hebben om gegevens te verzenden en terug te sturen naar teams. Batterijen klein genoeg maar krachtig genoeg maken om robottaken van stroom te voorzien, is een enorme uitdaging. Stabiele robots die met hun vleugels kunnen klappen maar ook sensoren dragen, hebben meer ontwerponderzoek nodig.

Ondanks de moeilijkhedenEn de Wetenschappers werken ook aan het nemen van delen van een levend insect, zoals de antennes van een mot, en deze te bevestigen aan een robot die er op een dag gegevens van kan lezen, zei hij. Hij zei dat deze hybride methode een geweldige plek zou kunnen zijn voor onderzoekers in insectenrobotica.

“Ik denk dat dat de manier is waarop we moeten gaan”, voegde Fuller eraan toe. “Neem de stukjes biologie die al goed werken en doe de rest geautomatiseerd.”