17 feb. 1999
3 minuten
Zelf-assemblerende en zelf-herconfigurerende robots zoals die voorkomen in films als Transformers komen steeds dichter bij de realiteit. Wetenschappers van MIT’s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSail) hebben ‘ElectroVoxels’ gemaakt: modulaire robotkubussen die ingebouwde elektromagneten gebruiken om te bewegen.
Het begeleidende paper wordt in mei gepresenteerd op de IEEE International Conference on Robotics and Automation.
"Ik wilde ze oorspronkelijk Transformers noemen omdat het in wezen robots zijn die van vorm kunnen veranderen", zegt Martin Nisser, hoofdauteur en PhD student mens-computer interactie. Om auteursrechtelijke redenen besloot het team daar echter van af te zien en de term ‘elektromagneet’ te combineren met ‘voxel’, een volumetrische pixel die het 3D-equivalent van een pixel is. "Je kunt ElectroVoxels zien als voxels met daarin ingebouwde elektromagneten."
Een ElectroVoxel-kubus heeft inderdaad een elektromagneet – een ferrietkern omwikkeld met koperdraad – ingebed in elk van de 12 ribben. "Als je een stroom door een elektromagneet stuurt, hangt de polarisatie af van de richting waarin je de stroom stuurt", zegt Nisser. "Het is als een permanente magneet, behalve dat je de polariteit kunt veranderen afhankelijk van de richting van de stroom."
ElectroVoxel-blokken bewegen door ofwel naar een blok te draaien waarmee aantrekt, danwel door de ribbe van het ene blok naar een andere afstotende ribbe te keren. Als een paar elektromagneten in een kubus tegengesteld zijn gepolariseerd, trekken ze elkaar aan, waardoor een scharnier ontstaat. Je kunt dan een ander paar elektromagneten gebruiken die in dezelfde richting zijn gepolariseerd om elkaar af te stoten en een zwenkmanoeuvre uit te voeren. Zodra dat draaien is voltooid, kunt je twee afzonderlijke paren elektromagneten gebruiken om elkaar aan te trekken en de vlakken van de twee kubussen bij elkaar te houden.
Programmeerbaar
De blokken zijn programmeerbaar. "Als je meer dan twee of drie ElectroVoxels hebt, wordt het moeilijk om elke elektromagneet afzonderlijk aan te pakken en te voorspellen wat er zal gebeuren", zegt Nisser. "Dus hebben we een gebruikersinterface gemaakt waarmee je kunt specificeren welke ElectroVoxel in welke richting moet draaien. Dan worden alle onderliggende elektromagneetopdrachten voor je doorgerekend, die we direct op de microcontroller kunnen zetten."
Schaalbaar
In tegenstelling tot andere zelfassemblerende robots waarvan de hardware bestaat uit omvangrijke motoren of dure actuatoren, beloven ElectroVoxels schaalbaarheid. Ze zijn licht (elke kubus weegt 103 gram), goedkoop (elke elektromagneet kost ongeveer US $ 0,60) en gemakkelijk te bouwen (ongeveer 80 minuten per kubus).
Zwak
Maar ElectroVoxels zijn niet zonder hun beperkingen. "Een van de nadelen van ElectroVoxels is dat hun kracht zwak is in vergelijking met andere actuatoren. Maar we realiseerden ons ook dat ze effectief kunnen worden gebruikt in de ruimte", zegt Nisser. "In een microzwaartekrachtomgeving kunnen zelfs zeer lage krachten leiden tot aanzienlijke snelheden, dus de zeer kleine kracht die we in ElectroVoxels hebben, kan bijdragen aan het verplaatsen van grote objecten. We zagen deze kans om herconfigureerbare robots voor ruimtetoepassingen te verkennen, waar je de traagheidseigenschappen van ruimtevaartuigen wilt veranderen, of tijdelijke constructies bouwen die kunnen helpen bij verschillende activiteiten, zoals constructie-inspectie door astronauten."
Om hun theorie te verifiëren en herconfiguratie in de ruimte te testen, voerde het team experimenten uit in een microzwaartekrachtomgeving. Eerst gebruikten ze een luchttafel: een platte tafel met gaten erin en kokers eromheen om luchtkussens te creëren die microzwaartekrachtomstandigheden simuleren. De ElectroVoxels voerden met succes pirouettes en oversteken uit. Vervolgens liet het team de kubussen aan boord van een parabolische vlucht vliegen om het draaien te observeren. Ook dat lukte.
Het team hoopt de ElectroVoxels vook bruikbaar te maken voor op aarde. "We proberen ze te optimaliseren voor koppel-tot-traagheidsverhoudingen om tegen de zwaartekracht in te kunnen draaien", zegt Nisser.
Ook ziet hij mogelijkheden voor recyclebare rapid prototyping. "3D-printers worden meestal gebruikt om eenmalige prototypes te maken, die niet noodzakelijk functioneel zijn. Als je prototypes kunt maken met een modulair systeem, dan kun je één structuur maken en deze automatisch laten draaien in een tweede structuur, waardoor rapid prototyping duurzamer wordt. Je hoeft het plastic niet na elke print weg te gooien – je kunt gewoon dezelfde modules gebruiken om nieuwe structuren te creëren."
Anderen lazen ook
