Wie Kilobots unzugängliche Orte für aufregende medizinische Anwendungen navigieren können

Wissenschaftler der University of Sheffield haben bei der Entwicklung von Kilobots oder dehnbaren robotischen Stoffen, die ihre Größe ändern, schrumpfen und sich mit außergewöhnlicher Präzision bewegen können, erhebliche Fortschritte erzielt. Das von Dr. Roderich Gross von der Abteilung für Automatisierungssteuerung und Systemtechnik geleitete Forschungsteam hat erfolgreich die Machbarkeit der Erstellung intelligenter robotischer Stoffe demonstriert, indem sie niederenergetische Robotermodule durch ein elastisches Netz koppeln.

Ein revolutionärer Durchbruch bei robotischen Stoffen

In einer bahnbrechenden Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, offenbarten die Forscher der University of Sheffield, dass elastische Verbindungen es diesen modularen Robotern, die etwa die Größe einer 50-Pence-Münze haben, ermöglichten, sich zuverlässig koordiniert zu bewegen. Die Studie zeigte die Überlegenheit des elastischen Netzes, das fehleranfälligen robotischen Modulen ermöglichte, in Formation zu marschieren, und übertraf dabei starr verbundene oder nicht verbundene Module.

Die von den Sheffield-Wissenschaftlern durchgeführte Forschung eröffnet aufregende Möglichkeiten für die Entwicklung von ultra-niederenergetischen robotischen Stoffen, die Räume navigieren können, die für Menschen unzugänglich sind. Diese Stoffe könnten eingesetzt werden, um unterirdische Wasserrohre auf Risse zu inspizieren, oder im menschlichen Körper für medizinische Überwachung und Behandlung eingesetzt werden.

Prototyp-Stoffe und intelligente Kilobots

Die in dieser Studie entwickelten Prototyp-Stoffe bestehen aus kleinen robotischen Modulen, den sogenannten Kilobots. Aufgrund ihrer kompakten Größe zeichnen sich diese Kilobots durch ihren niedrigen Energieverbrauch und begrenzte Verarbeitungsfähigkeiten aus. Jedes Kilobot nutzt Vibrationsmotoren für die Bewegung, verfügt jedoch über keine präzise Kontrolle über seine Richtung. Wenn sie jedoch in das elastische Netz integriert werden, kommunizieren diese Module mit benachbarten Modulen, was es der Gruppe ermöglicht, den effektivsten Weg zur Bewegung und zum kollektiven Verhalten zu bestimmen.

Traditionell waren Gruppen von Kilobots und anderen kleinen Modulen nicht physisch verbunden. Die Sheffield-Studie hat jedoch gezeigt, dass die Kopplung dieser Module über ein elastisches Netz ihre Zuverlässigkeit bei der Bewegung erheblich verbesserte. Dr. Roderich Gross erklärte, dass frühere Studien sich auf intelligente Stoffe konzentrierten, die ihre Umgebung wahrnehmen oder ihr Aussehen ändern. Gleichzeitig ging ihre Forschung in intelligente Stoffe, die die Fähigkeit besitzen, sich autonom von einem Ort zum anderen zu bewegen. Diese Stoffe könnten effektiv Räume navigieren, die für Menschen unzugänglich sind, wie beispielsweise die Inspektion des Inneren eines Strahltriebwerks.

Anwendungen in medizinischen und industriellen Bereichen

Dr. Gross hob weiterhin das Potenzial von sich selbstbewegenden und dehnbaren Stoffen in medizinischen Anwendungen hervor. Beispielsweise könnten diese Stoffe um beschädigte Bereiche von Organen gewickelt werden, um eine hochauflösende Überwachung oder Stimulation zu ermöglichen. Darüber hinaus könnten sie für industrielle Zwecke eingesetzt werden, wie etwa zur Inspektion schwieriger Umgebungen oder zur Navigation in unterirdischen Pipelines.

Kohärente Bewegung ermöglicht durch elastische Bindungen

Die Studie ergab, dass ein Stoff, der aus mehr Modulen besteht, eine erfolgreichere und kohärentere Bewegung aufweist. Diese Erkenntnis steht im Einklang mit der kollektiven Bewegung, die in Vogelschwärmen beobachtet wird, bekannt als das Prinzip der vielen falschen Entscheidungen (many-wrongs principle). Im Gegensatz zu früheren Studien stützten sich die Module in dieser Studie jedoch nicht nur auf die Erfassung und Verarbeitung von Informationen, sondern auch auf die physikalischen Bindungen im elastischen Netz. Dies reduzierte ihre Abhängigkeit von energieintensiver Wahrnehmung und Denkprozessen und erleichterte die Miniaturisierung und Realisierung von Stoffen, die aus Tausenden von Modulen bestehen.

An der Studie waren Forscher der University of Sheffield, der University of Modena and Reggio Emilia, der Université Libre de Bruxelles, der Santa Catarina State University und des Worcester Polytechnic Institute beteiligt. Der mit dem Titel „Coherent movement of error-prone individuals through mechanical coupling“ veröffentlichte Artikel kann für weitere Details zur Forschung eingesehen werden.

Die bahnbrechende Forschung der Wissenschaftler der University of Sheffield hat uns der Verwirklichung dehnbarer robotischer Stoffe näher gebracht. Diese Stoffe, die in der Lage sind, sich zusammenzuziehen, zu wachsen und sich präzise zu bewegen, können verschiedene Bereiche revolutionieren, von industriellen Inspektionen bis hin zu medizinischen Eingriffen, indem sie die Navigation in unzugänglichen Räumen ermöglichen und hochauflösende Überwachungs- und Behandlungsoptionen bieten.

Originalartikel und Bildquelle: https://www.sheffield.ac.uk/news/