Zelfherstellende microbots: van geneeskunde tot militair gebruik

Een team van Penn State-ingenieurs heeft een eenvoudige methode ontwikkeld om zwermen zelfherstellende microbots te creëren en te besturen. De wetenschap is geïnspireerd op de natuur en combineert deze met eenvoudige microbotontwerpen die akoestische signalen kunnen genereren en registreren. Deze aanpak is vergelijkbaar met hoe bijen en andere insecten geluidsgolven gebruiken om zich in grote groepen te organiseren. Dit is wat je moet weten.

Wat zijn microbots en hoe werken ze?

Wanneer de gemiddelde persoon aan robots denkt, denkt hij waarschijnlijk aan industriële en militaire toepassingen. Een groeiend aantal van deze apparaten vindt echter toepassing in de medisch en rampenbestrijding. Deze apparaten zijn vaak veel kleiner en worden microrobots genoemd vanwege hun kleine formaat, vaak op nanoschaal. Veel wetenschappers zien een toekomst voor zich waarin deze kleine robots in zwermen samenwerken om belangrijke taken uit te voeren.

Uitdagingen bij de ontwikkeling van Swarm Microbot-technologie

Er zijn verschillende problemen die de ontwikkeling van microbots blijven vertragen. Een van de belangrijkste beperkende factoren was de omvang. Tegenwoordig zijn er echter verschillende manieren waarop ingenieurs en ontwikkelaars deze kleine en vaak complexe machines kunnen bouwen.

Een andere uitdaging is het uitzoeken hoe we deze microscopisch kleine apparaten kunnen besturen. Vroeger was de belangrijkste manier om dit te doen via een vorm van chemische communicatie. Dit is de aanpak die veel insecten en dieren in de natuur gebruiken om te vinden en te organiseren, net als mieren. Deze aanpak kent echter beperkingen.

Chemische signalering is bijvoorbeeld niet omkeerbaar. Zodra de chemische stof is vrijgekomen, is het onmogelijk om deze volledig uit de omgeving te verwijderen. Het kan daarom alleen worden gebruikt om eenheden te verzamelen of te targeten. Bovendien zijn chemische signalen beperkt in afstand en verplaatsen ze zich veel langzamer dan andere vormen van communicatie.

Actieve Materie Systemen

De wetenschap van het begrijpen van zwermmentaliteit en -strategieën is een wetenschapsgebied dat actieve materie wordt genoemd. Specialisten in actieve materie besteden jarenlang aan het bestuderen van microscopisch kleine biologische en synthetische zwermen. Hun doel is te begrijpen hoe deze enorme groepen zich kunnen coördineren voor taken zoals het melden van bedreigingen en het zoeken naar hulpbronnen.

Akoestische communicatie in natuurlijke zwermen

Ingenieurs op het gebied van actieve materie merkten op dat akoestische signalering al lang door vleermuizen en andere diersoorten wordt gebruikt om essentiële informatie over te brengen. Walvissen zijn een ander dier dat geluidsgolven gebruikt om over enorme afstanden te communiceren. Indrukwekkend genoeg zijn er waarnemingen gedaan van dieren zoals de bultrugwalvis die met behulp van akoestiek communiceren over afstanden tot wel 1,000 kilometer.

Penn State-studie naar akoestisch gestuurde zelfherstellende microbots

Het papier¹ "Akoestische signalering maakt collectieve perceptie en controle mogelijk in actieve materiesystemen", gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift APS, is de eerste wetenschappelijke studie die akoestiek integreert in de bestrijding van micronische zwermen. Het is daarmee een belangrijke mijlpaal in de microrobotica.

Bron - APS

In het besef dat de natuur duizenden jaren de tijd heeft gehad om te evolueren naar de meest effectieve methoden om specifieke taken uit te voeren, besloten wetenschappers van Penn State te proberen een sonisch communicatiesysteem te ontwikkelen om een robotzwerm te besturen. De onderzoekers begonnen hun werk met een beschrijving van hoe bijen geluidsgolven gebruiken om elkaar te vinden en verbonden te blijven.

Computersimulatiemodel van zelfherstellende microbots

In plaats van daadwerkelijk microbots te bouwen, creëerde het team een complex computermodel dat het gedrag van deze apparaten onder bepaalde omstandigheden simuleerde in zowel deeltjes- als veldgebaseerde modellen.

Zelfherstellende microbot-agenten

Het computermodel was gebaseerd op een simplistische microbot, een zogenaamde agent. Deze kleine digitale apparaten waren ontworpen om de bewegingen van eenvoudige elektronische circuits na te bootsen. De circuits bevatten een akoestische oscillator en een microfoon. De apparaten bevatten ook kleine motoren die ze in staat stellen om via beweging op geluid te reageren.

Akoestisch signaleringssysteem voor Microbot-besturing

Ingenieurs ontwikkelden vervolgens een akoestisch signaleringssysteem dat de robots eenvoudige commando's kon geven. Concreet zouden de geluidsgolven drie acties activeren: assembleren, navigeren en communiceren. Het team merkte onmiddellijke voordelen op, waaronder dat de geluidsgolven zich veel sneller voortplantten dan de chemische systemen die in eerdere besturingssystemen voor microbots werden gebruikt.

Basisregels voor akoestisch gestuurd microbotgedrag

De agenten werden geprogrammeerd met slechts twee regels. De eerste regel schrijft voor dat de apparaten zich naar de luidste geluiden moeten bewegen. De tweede regel verandert de geluiden die het apparaat produceert. Opvallend is dat het geluid dat het produceert varieert op basis van de invoergolven die het ontvangt, waardoor elk apparaat een repeterende antenne voor de zwerm vormt.

Simulatietestresultaten voor zelfherstellende microbots

Om hun computationele agenten te testen, construeerden de ingenieurs verschillende taken binnen hun computermodelomgeving. De eerste test was om te zien of de robots konden zwermen en welk gedrag ze vertoonden tijdens het vormen van groepen en het verplaatsen naar locaties of het voltooien van taken.

Zelf-organiserend gedrag in gesimuleerde microbotzwermen

De ingenieurs moesten het vermogen van de microrobot om zichzelf in zwermen te organiseren testen. Ze slaagden hierin door bepaalde geluidsgolven zwermgedrag te laten initiëren, wat resulteerde in wat ingenieurs omschrijven als primitieve groepsintelligentie.

Opvallend was dat elk apparaat zijn actie aanpaste op basis van het geluid dat het registreerde. Om de robots te laten zwermen, lieten de ingenieurs ze simpelweg naar de luidste frequentie bewegen en deze vervolgens dupliceren. Deze stap had het beoogde effect dat elke bot zijn akoestische veld aanpaste en andere apparaten aantrok.

Interessant genoeg registreerden de ingenieurs enkele unieke bevindingen tijdens hun werk. Zo konden ze de eerste stadia van cohesie en de beginfasen van collectieve intelligentie documenteren. Ze merkten op dat het intelligentieachtige gedrag de zwerm in staat stelt manoeuvres te coördineren en samen te werken.

De microrobots konden zich snel aanpassen aan verschillende vormen, afhankelijk van de geluidsgolven. Vormen zoals een slang stelden de machines in staat zichzelf voort te bewegen terwijl de zwerm kronkelde. Andere interessante vormen waren onder andere een draaiende ring. De ingenieurs merkten op dat ze de interne oscillatorstanden konden synchroniseren om de samenhang, multifunctionele inzetbaarheid en taakverwerkingscapaciteiten van de zwermen te verbeteren.

De ingenieurs merkten op dat de vormen konden worden aangepast door extra regels te programmeren met betrekking tot omgevingsdetectie. Ze documenteerden hoe individuele robots samenwerkten om obstakels te overwinnen. Zelfs wanneer ze gescheiden waren, kon de zwerm een nieuwe vorm aannemen en zichzelf vervolgens herstellen naar zijn oorspronkelijke vorm zodra ze het obstakel hadden gepasseerd.

Belangrijkste voordelen van akoestisch gestuurde zelfherstellende microbots

Deze studie biedt meerdere voordelen voor het vakgebied microbots. Ten eerste laat het zien hoe een simplistisch robotontwerp complexe zwermtaken kan uitvoeren met alleen geluidsgolven als geleiding. Daarmee zet deze studie een stap voorwaarts voor microbots, omdat geluidsgolven betrouwbaarder en gemakkelijker te detecteren zijn dan andere communicatiemethoden.

Eenvoudig ontwerp voor kosteneffectieve microbots

Deze studie laat ook zien hoe eenvoudige en betaalbare microrobots gemaakt kunnen worden met minimale complexiteit, maar die toch zwermtaken kunnen uitvoeren. Hoewel deze apparaten alleen digitaal gemaakt worden, zouden ze in de praktijk zeer goedkoop te fabriceren zijn. De beslissing van de ingenieur om het apparaat te strippen tot slechts een microfoon, luidspreker en een oscillator, laat zien dat microbots niet al te complex hoeven te zijn.

Lage kosten

Een ander voordeel van een eenvoudig ontwerp is dat het goedkoop te fabriceren is. De theoretische apparaten in de studie zouden voor een paar centen en zonder gebruik van hightech machines gemaakt kunnen worden. Daarmee maken ze de weg vrij voor grootschalige industriële operaties en meer.

Hoe microbots door krappe ruimtes navigeren: belangrijkste voordelen

Dankzij de zelfherstellende en organiserende eigenschappen van akoestische microbots kunnen deze apparaten overal komen waar andere robots niet kunnen komen. Deze apparaten kunnen elke gewenste vorm aannemen om zich door of rond krappe ruimtes te wurmen. De zwerm kan krimpen tot een dikte van bijna één stukje, door een kleine scheur heen kruipen en zich aan de andere kant weer vormen.

Veeg om te scrollen →

Zelfherstellende microbots: toepassingen in de praktijk

Er zijn talloze toepassingen voor deze technologie. Microrobotica is een snelgroeiende sector die in de toekomst belangrijke wetenschappen wereldwijd zal veranderen. Van sensortoepassingen tot het waarborgen van een veilige omgeving: er zijn talloze manieren waarop deze technologie de wereld ten goede zal komen. Hier zijn enkele van de beste toepassingen voor akoestische microrobots.

Zoek- en reddingstoepassingen voor microbotzwermen

Het uitvoeren van zoek- en reddingsoperaties is een gevaarlijke taak die tot verder letsel kan leiden. In veel gevallen is het vinden en redden van de persoon gevaarlijker dan de manier waarop hij of zij in de situatie terecht is gekomen. Daarom is het cruciaal om technologie te gebruiken om deze mensen in nood zo snel mogelijk te lokaliseren.

Microbotzwermen zouden ideaal zijn voor deze taken. Ten eerste zouden ze zo kunnen worden ingesteld dat ze de omgevingsomstandigheden registreren, waardoor verdere verwondingen worden voorkomen. Bovendien kunnen de apparaten op plekken komen waar andere robots nooit zouden komen. Bovendien zouden ze zich kunnen hervormen om taken uit te voeren waarvoor een groter apparaat nodig is.

Milieumonitoring met Microbot-technologie

Microbots zullen helpen de lucht en de zee schoner te houden. Deze apparaten zullen in de toekomst cruciale milieugegevens monitoren. Deze systemen kunnen worden ingezet om luchtverontreiniging rond industrieterreinen, plastic afval in waterwegen en nog veel meer te registreren.

Toepassingen in de gezondheidszorg: gerichte microbotbehandelingen

Microbots hebben grote vooruitgang geboekt in de gezondheidszorg. Ze kunnen worden ingezet om specifieke aandoeningen en notoir moeilijk te behandelen lichaamsdelen aan te pakken. Zo kunnen microbots medicijnen op specifieke plekken in de lever toedienen. Deze taak is traditioneel erg lastig omdat de lever de medicijnen wegspoelt voordat de behandeling effect heeft.

Militaire en defensietoepassingen voor microbotzwermen

Deze technologie kent verschillende militaire toepassingen. Kleine robotzwermen kunnen worden gebruikt voor dreigingsdetectie en kampbeveiliging. Ze kunnen ook offensieve taken uitvoeren, zoals het aanvallen van vijandelijke installaties of het verstoren van communicatiesystemen.

Ontwikkelingstijdlijn voor zelfherstellende microbottechnologie

Je kunt verwachten dat deze technologie binnen de komende 10 jaar in gebruik zal zijn. Er moet nog veel onderzoek worden gedaan naar de aansturing van deze apparaten voor specifieke taken. Bovendien zal er goedkeuring nodig zijn voor veel van de toepassingen, met name voor taken in de gezondheidszorg.

Onderzoekers van Penn State achter de studie naar zelfherstellende microbots

Penn State organiseerde de studie naar zelfherstellende microbots. In het artikel worden Alexander Ziepke, Ivan Maryshev, Igor Aranson en Erwin Frey genoemd als de belangrijkste onderzoekers. Daarnaast financierde de John Templeton Foundation het onderzoek naar de microbots.

Toekomstige onderzoeksrichtingen voor zelfherstellende microbots

De toekomst van zelfherstellende microbots ziet er rooskleurig uit. Deze apparaten zullen slimmer worden naarmate onderzoekers betere methoden vinden om de akoestische signalen op te vangen en te reproduceren. De ingenieurs zullen nu werken aan het verbeteren van de mogelijkheden en veerkracht van de bots tegen interferentie.

Investeren in robotica

Er zijn verschillende innovatieve bedrijven die de roboticasector proberen te beheersen. Deze bedrijven hebben miljarden gestoken in de ontwikkeling van apparaten die taken kunnen uitvoeren die te alledaags of onmogelijk zijn voor mensen. Dit is één bedrijf dat met zijn innovatieve aanpak en producten nog steeds furore maakt.

Microbot Medical Inc.

Microbot Medical Inc. (MBOT ) betrad de markt in 2010. Het werd opgericht in Israël en verhuisde daarna naar Massachusetts. Oprichter Harel Gadot wilde zijn ervaring in de gezondheidszorg gebruiken en combineren met geavanceerde robotica om enkele van de meest urgente gezondheidsproblemen op te lossen.

Tegenwoordig is Microbot Medical Inc. een toonaangevende leverancier van microbots die zijn ontworpen om de patiëntresultaten te verbeteren. Deze producten maken het mogelijk voor patiënten om minimaal invasieve procedures te ondergaan ter behandeling van bepaalde neurovasculaire en cardiovasculaire aandoeningen.