In de nazomer, net toen de bladeren door de hitte krokant en opkrulden, liep Devin Carroll zijn appartement uit, keek naar de grond en pakte een paar stokjes waarvan hij dacht dat die voor zijn robot zouden kunnen werken. Ongeveer een centimeter dik en zo lang als een volwassen hand, ontdeed hij de drie stokken van hun bast en bond ze met touw vast aan StickBot, een modulaire robot bestaande uit circuits, actuatoren, een microcontroller en een motordriver.

Aangedreven door vier AA-batterijen, verbonden door een doolhof van draden en knipperende lampjes, bonzen de houten armen van StickBot nu op en neer, waardoor de robot over de tafel wordt aangedreven in Penn's General Robotics, Automation, Sensing &Perception (GRASP) Lab, waar Carroll een doctoraat kandidaat in de School of Engineering and Applied Sciences.

Carroll bestuurt de robot met behulp van een app die hij heeft ontworpen en laat zien hoe StickBot kan draaien van het gebruik van de stokken als benen in de 'kruipmodus' naar het gebruik ervan als armen. In 'grijpmodus' zijn de stokjes aan één kant bevestigd aan een controllerplaat om een ​​scharnierverbinding te vormen, terwijl ze met hun vrije uiteinde bewegen om een ​​kopje rechtop te houden.

In plaats van een statische, unieke uitvinding, is StickBot een idee, een flexibel systeem dat op verschillende manieren opnieuw kan worden geconfigureerd. Een modulaire robot, de componenten van StickBot kunnen naar behoefte worden toegevoegd, aangepast en weggegooid.

Mark Yim, Carroll's adviseur, werkt al 17 jaar bij Penn en is de huidige directeur van het GRASP Lab. De grote veelzijdigheid van modulaire robots biedt veel potentieel voor de ontwikkeling van de technologie, zegt Yim. Een iteratie hiervan is zelfconfigurerende robots. "Mensen kunnen zich heel goed aanpassen aan verschillende omgevingen:als het koud wordt, trek je een jas aan. En robots kunnen dat ook. Maar als robots ook van vorm zouden kunnen veranderen, andere dingen zouden kunnen doen... dat geeft je meer mogelijkheden."

Naast een robot gemaakt van stokken heeft Carroll ook een robot gemaakt van ijs. Met een rechthoekig lichaam en twee grote wielen ziet de robot eruit als een kruising tussen een monstertruck en een Cushman-kar. Het heet natuurlijk IceBot.

IceBot belandde in 2020 in het Guinness Book of World Records als de eerste robot die volledig uit ijs is gemaakt (behalve de motordriver en actuatoren, die Carroll in gebeeldhouwde gaten heeft ingebed). Carroll hoopt dat deze technologie ooit zal worden gebruikt om missies uit te voeren op Antarctica of op een ijzige maan, mogelijk als een zelfconfigurerende robot. Voorlopig is het een manier om zijn ideeën over modulaire robots te verfijnen.

"De les die we van IceBot hebben geleerd", zegt Carroll, "is dat je niet bang hoeft te zijn om iets geks te proberen. Het zou zomaar kunnen werken."

Gevonden voorwerpen, hergebruik van materialen

Met StickBot zette Carroll zijn creatieve experimenten voort. Deze keer concentreerde hij zich op het laag houden van de kosten en het creëren van een eenvoudig systeem dat een scala aan taken kon uitvoeren.

"StickBot is een robotsysteem dat is bedoeld om gebruikers een grote hoeveelheid flexibiliteit te bieden tegen extreem lage kosten en dat doen we door gebruik te maken van de modulariteit van gevonden materialen", zegt Carroll. "We hebben een heleboel boomtakken of stokken en we kunnen ze in verschillende configuraties samenvoegen tot truss-structuren. Daarbij kunnen we dingen krijgen als een rupsrobot of een grijprobot of eigenlijk alles wat je maar kunt bedenken. Achter StickBot is de mogelijkheid om dingen opnieuw te configureren en het uiterst betaalbaar te maken."

Carroll schat dat de totale bouwkosten van StickBot minder dan honderd dollar zijn voor een eenvoudig model, hoewel grotere systemen mogelijk meer kosten. Hoewel sommige componenten (zoals de actuatoren en de motordriver) een integraal onderdeel zijn van de functie van de robot, kunnen andere worden verwisseld, afhankelijk van de taak die wordt uitgevoerd en de materialen die voorhanden zijn. (Carroll onderzoekt het gebruik van hete lijm en ducttape in plaats van touw.) De robot moet kunnen worden gemaakt van dingen die mensen bij de hand kunnen hebben, zegt hij.

Het ethos van verminderen, hergebruiken en recyclen is al sinds zijn jonge jaren bij Carroll. Carroll groeide op op een boerderij op het platteland van Massachusetts. Hij was lid van 4-H; hij hield schapen. "Alles wat we deden was bedoeld om hernieuwbaar te zijn", zegt Carroll. "Bij het bouwen van dingen zoals schuren of schuren, probeerden we zoveel mogelijk materiaal te hergebruiken."

Later ging Carroll naar de Universiteit van Massachusetts Amherst voor werktuigbouwkunde en deed hij een zomerprogramma Research Experience for Undergraduates (REU) aan Harvard, waar hij zijn eerste robot bouwde. "Ik was tweedejaars op de technische school, had geen idee wat ik wilde doen", zegt Carroll. "Ik had die winter in Harvard Forest gewerkt, alleen het onderhoud voor hen gedaan. Een onderzoeker kwam naar me toe en zei:"Je bent toch een werktuigbouwkundig ingenieur?" Kun je deze robot voor mij bouwen?"

Carroll bouwde de robot, "in wezen een doos met een heleboel sensoren", zegt hij, en ontwierp een trambaan in het bladerdak, drie steigerhoogten hoog. De robot wordt aangedreven door een batterij die op zonne-energie wordt opgeladen en is ontworpen om een ​​gebied te doorkruisen om ecologen te helpen bepalen hoe snel het bos zou teruggroeien na een kaalslag.

Het was een invloedrijke ervaring voor een jonge ingenieur. "Daar was ik, omringd door ecologie en bomen en al die onderzoekers en wetenschappers. De mensen daar waren erg gefocust op hoe we de wereld om ons heen op een positieve manier kunnen beïnvloeden en een hernieuwbare hulpbron kunnen creëren, zodat we niet zomaar iets opgebruiken , we geven eigenlijk terug."

Betaalbaar en toegankelijk

Een mogelijke toepassing voor een robot in StickBot-stijl is revalidatie-instellingen in de wereldwijde gezondheidszorg, hetzij als prothese of in therapie. Hoogwaardige medische procedures zijn allemaal goed en wel, zegt Carroll, maar zijn ze in elke omgeving betaalbaar? En als dat hightech-apparaat kapot gaat, hoe gemakkelijk kan het dan worden gerepareerd?

"Als we het robotsysteem zoals StickBot in een dergelijk scenario zouden kunnen inzetten, kunnen we plotseling een impact hebben op het leven van veel meer mensen", zegt Carroll. Omdat StickBot een relatief eenvoudige modulaire robot is, kunnen de componenten ervan gemakkelijker worden gerepareerd en vervangen.

"Door mensen de mogelijkheid te bieden om materialen om hen heen te gebruiken, doen we twee dingen", zegt Carroll. "Ten eerste verlagen we de kosten van materialen die zijn gemarkeerd. Ten tweede kunnen we de complexiteit verminderen zonder de operationele functie te verminderen."

Het is absoluut een goed idee voor de wereldwijde gezondheid, zegt Michelle J. Johnson, universitair hoofddocent fysische geneeskunde en revalidatie aan de Penn's Perelman School of Medicine. Johnson, die directeur is van het rehab robotics lab (A GRASP Lab), doet ook onderzoek in Botswana. "Een van de grote problemen is de betaalbaarheid", zegt ze. Het is nodig om clinici te ondersteunen in omgevingen met minder middelen, maar hoe doen we dat?"

Het concept van betaalbare robots die gebruik maken van materiaal dat lokaal en overvloedig is, is overtuigend, zegt Johnson, omdat wanneer materialen en elektronica moeten worden geïmporteerd, de kosten snel kunnen stijgen.

Een modulaire robot kan ook worden aangepast en gezondheidsklinieken kunnen in de loop van de tijd investeren in de functionaliteit van de robot. "Misschien kun je vandaag maar één module betalen, en morgen kun je de tweede betalen, en nu heb je een systeem dat je op meerdere manieren kunt gebruiken", zegt Johnson. "Je kunt bouwen terwijl je bezig bent."

Het StickBot-systeem kan worden gebruikt als een sociale, therapeutische, prothetische of ondersteunende robot, zegt Johnson. In Botswana hebben sommige patiënten van Johnson hiv, wat beroertes kan veroorzaken. Een therapeutische robot zoals StickBot kan worden gebruikt om een ​​onmiddellijke functionele behoefte te ondersteunen of om patiënten te helpen een fysiotherapie-oefening uit te voeren, zegt ze.

Het functioneel toepassen van ideeën is belangrijk voor Carroll. Hij wil dat iedereen toegang heeft tot interessant design dat levens kan verbeteren.

"Heb je "Big Hero 6" gezien?" Vraagt ​​Carroll. Hij vindt dat de Disney-film moet worden bekeken, tenminste voor diegenen die geïnteresseerd zijn in robotica. Daarin woont de held een technische presentatie voor studenten bij en houdt hij zijn uitvinding omhoog - iets dat lijkt op een minuscule ijzervijlsel, kleiner dan een pink. Het publiek is niet onder de indruk. Dan laat de held zien wat duizenden van deze kleine doohickeys kunnen. De modulaire robots koppelen aan elkaar en breken weer uit elkaar, bouwen moeiteloos steigers en creëren een omgekeerd rolpad. De mogelijkheden worden alleen beperkt door de verbeelding van de held.

"Als je de flexibiliteit hebt om meer dingen te doen, kun je meer mensen helpen", zegt Carroll. "En als je het goedkoop kunt maken, is dat nog beter." + Verder verkennen

Een robot gemaakt van ijs kan zich aanpassen en repareren op andere werelden