Kapitel 2 : Mikrofon-Robotik

Die Mikrorobotik, manchmal auch als Mikrorobotik bekannt, ist ein Teilgebiet der Miniaturrobotik, das sich auf mobile Roboter konzentriert, die Abmessungen von weniger als einem Millimeter haben. Es ist auch möglich, diesen Ausdruck für Roboter zu verwenden, die in der Lage sind, Komponenten zu handhaben, die mikrometergroß sind.

Mikrobots entstanden als Ergebnis der Einführung des Mikrocontrollers im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts sowie der Einführung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) auf Silizium. Die meisten Mikroroboter verwenden jedoch kein Silizium für andere mechanische Komponenten als Sensoren. Es war in den frühen 1970er Jahren, als die ersten Forschungen und die Konzeption solcher Miniaturroboter durchgeführt wurden. Zu dieser Zeit waren diese Recherchen geheim und wurden für die Geheimdienste der Vereinigten Staaten durchgeführt. Zu dieser Zeit waren unter anderem Aufgaben wie das elektronische Abfangen und die Unterstützung von Kriegsgefangenen vorgesehen. Die zugrundeliegenden Technologien, die das Downsizing unterstützten, waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausgereift, so dass Fortschritte in der Prototypenentwicklung nicht sofort durch diese frühen Berechnungen und Konzeptentwürfe zustande kamen. Dem Jahr 2008 zufolge wird der Scratch-Drive-Aktuator von den kleinsten Mikrorobotern verwendet.

Das Wachstum drahtloser Verbindungen, insbesondere von Wi-Fi (d. h. in Haushaltsnetzwerken), hat die Kommunikationskapazität von Mikrorobotern erheblich verbessert und damit ihr Potenzial, sich mit anderen Mikrorobotern zu koordinieren, um anspruchsvollere Tätigkeiten auszuführen. Die Kommunikation zwischen Mikrorobotern war in letzter Zeit Gegenstand einer beträchtlichen Menge an Forschung. Ein Beispiel dafür ist die Entstehung eines 1.024 Roboterschwarms an der Harvard University, der sich in eine Vielzahl von Formen zusammensetzen kann. Ein weiteres Beispiel ist die Produktion von Mikrorobotern bei SRI International für das Programm "MicroFactory for Macro Products", mit denen leichte und hochfeste Strukturen konstruiert werden können.

Es war auch möglich, Mikroroboter, sogenannte Xenobots, zu konstruieren, indem organisches Gewebe anstelle von Metall und elektronischen Komponenten verwendet wurde. Aufgrund der Tatsache, dass sie energieautark, biologisch abbaubar und biokompatibel sind, sind Xenobots in der Lage, einige der technologischen und ökologischen Probleme zu umgehen, die mit typischen Mikrorobotern verbunden sind.

Es ist möglich, die Vorsilbe "Mikro" zu verwenden, um "klein" auf subjektive Weise zu bezeichnen; Die Standardisierung auf Längenskalen hilft jedoch, Verwirrung zu vermeiden. Ein Nanoroboter hätte also charakteristische Abmessungen, die bei oder unter einem Mikrometer liegen, oder er würde Bauteile manipulieren, die im Bereich von ein bis tausend Nanometern liegen. Ein Zitat ist erforderlich. Zum Beispiel hätte ein Mikroroboter Abmessungen von weniger als einem Millimeter, ein Milliroboter hätte Abmessungen von weniger als einem Zentimeter, ein Miniroboter hätte Abmessungen von weniger als zehn Zentimetern (vier Zoll) und ein kleiner Roboter hätte Abmessungen von weniger als hundert Zentimetern (39 Zoll).

Mehr als eine Quelle bezieht sich auf Roboter, die größer als einen Millimeter sind, als Mikrobots, und Roboter, die größer als ein Mikrometer sind, werden als Nanobots bezeichnet. Siehe auch die Kategorie: Mikroroboter.

Die Bewegung von Mikrorobotern wird sowohl durch den Einsatzzweck der Roboter als auch durch die Größe, die für sie erforderlich ist, bestimmt. Wenn es um Submikrometergrößen geht, erfordert die physische Welt den Einsatz ziemlich eigenartiger Transportmethoden. Wenn es um fliegende Roboter geht, liegt die Reynolds-Zahl bei weniger als eins. Da die viskosen Kräfte stärker sind als die Trägheitskräfte, ist es möglich, dass das "Fliegen" durch die Verwendung der Viskosität der Luft und nicht durch das Bernoulli-Konzept des Auftriebs erreicht wird. Es ist möglich, dass Roboter, die sich durch Flüssigkeiten bewegen, rotierende Geißeln benötigen, ähnlich wie die bewegliche Form von E. coli. Der Roboter ist in der Lage, sich auf den Oberflächen einer Vielzahl von Geländen zurechtzufinden, da er hüpfen kann, was sowohl unauffällig als auch effizient mit Energiemanagement ist. Die bahnbrechenden Berechnungen (Solem 1994) untersuchten die vielen Verhaltensweisen, die auf der Grundlage der physikalischen Realität auftreten können.

Wenn es um die Entwicklung eines Mikroroboters geht, besteht eines der größten Hindernisse darin, Mobilität zu erzeugen und gleichzeitig eine sehr begrenzte Stromversorgung zu nutzen. Die Mikroroboter sind in der Lage, eine kleine und leichte Batteriequelle wie eine Knopfzelle zu nutzen, oder sie können Energie aus der Umgebung in Form von Vibration oder Lichtenergie aufnehmen. Darüber hinaus werden biologische Motoren, wie z. B. gegeißelte Serratia marcescens, als Energiequellen für Mikroroboter eingesetzt. Diese Motoren sind in der Lage, der Flüssigkeit, die das Robotergerät umgibt, chemische Energie zu entziehen, um es vorwärts zu treiben. Die betreffenden Bioroboter sind in der Lage, direkt durch Reize wie Chemotaxis oder Galvanotaxis gesteuert zu werden, und es stehen mehrere Steuerungssysteme für ihren Betrieb zur Verfügung. Die Nutzung von extern induzierter Energie als Mittel zum Antrieb von Robotern ist eine gängige Alternative zur Verwendung einer Bordbatterie. Beispiele für Methoden, die zur Aktivierung und zum Betrieb von Mikrorobotern eingesetzt werden können, sind die Nutzung von elektromagnetischen Feldern, Ultraschall und Licht.

"Design von lichtgetriebenen Mikrorobotern mit Anwendungen in der Mikrobiologie und Biomedizin" war der Hauptgegenstand der Forschung, die im Jahr 2022 im Rahmen der photobiokatalytischen Methodik durchgeführt wurde.

Mikroroboter nutzen verschiedene Arten der Fortbewegung, um sich in einer Vielzahl von Umgebungen fortzubewegen, die von festen Oberflächen bis hin zu flüssigen Flüssigkeiten reichen. Die biologischen Systeme, die als Inspiration für diese Technologien dienen, werden häufig verwendet und sind so konzipiert, dass sie auf der Mikroskala wirksam sind. Bei der Entwicklung und dem Betrieb der Fortbewegung von Mikrorobotern ist es notwendig, eine Reihe von Parametern zu maximieren, darunter Präzision, Geschwindigkeit und Stabilität, während gleichzeitig andere, wie z. B. Energieverbrauch und Energieverlust, minimiert werden. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass die Bewegung des Mikroroboters korrekt, effektiv und effizient ist.

Viele wichtige Faktoren, wie z. B. die Schrittlänge und die Transportkosten, werden bei der Charakterisierung der Fortbewegung von Mikrorobotern berücksichtigt. Diese Parameter werden verwendet, um die Bewegung der Mikroroboter zu charakterisieren und zu bewerten. Ein Schritt ist ein vollständiger Bewegungszyklus, der alle Schritte oder Phasen umfasst, die ein Organismus oder Roboter benötigt, um eine bestimmte Abfolge von Aktionen zu wiederholen. Ein Schritt wird im Zusammenhang mit der Bewegung verwendet. Die Strecke, die ein Mikroroboter in einem einzigen vollen Zyklus seines Fortbewegungsmechanismus zurücklegt, wird als Schrittlänge bezeichnet, die in Sekunden gemessen wird. Der Begriff "Transportkosten" (CoT) bezieht sich auf die Menge an Arbeit, die erforderlich ist, um einen Mikroroboter mit einer Masseneinheit über eine Entfernungseinheit zu bewegen.

Die Fortbewegungsfähigkeit an der Oberfläche ermöglicht es Mikrorobotern, sich auf verschiedene Weise zu bewegen, darunter Gehen, Krabbeln, Rollen und Springen, um nur einige der möglichen Bewegungen zu nennen. Die betreffenden Mikroroboter sind in der Lage, eine Vielzahl von Hindernissen zu überwinden, darunter Schwerkraft und Reibung. Die Frounde-Zahl ist einer der Parameter, die üblicherweise zur Beschreibung der Oberflächenbewegung verwendet werden. Sie ist wie folgt definiert:

F r ist gleich

v.

2.

g) *

?;

s.

In Bezug auf den Darstellungsstil ist Fr gleich dem Faktor v zum Quadrat. Der Ausdruck {g*\lambda _{s}}}}

v steht für die Bewegungsgeschwindigkeit, g für das Gravitationsfeld und As für die Länge eines Schritts. Ein Mikroroboter mit einer niedrigen Froude-Zahl bewegt sich langsamer und stabiler, da die Schwerkraft die dominierende Kraft ist. Auf der anderen Seite zeigt ein Mikroroboter, der eine hohe Froude-Zahl aufweist, dass die Trägheitskräfte signifikanter sind, was eine Bewegung ermöglicht, die sowohl schneller als auch möglicherweise weniger stabil ist.

Wenn es um die Fortbewegung an der Oberfläche geht, ist Krabbeln eine der häufigsten Tätigkeiten. Es gibt eine Vielzahl von Techniken, die Mikroroboter zum Krabbeln verwenden, aber die meisten von ihnen beinhalten die koordinierte Bewegung vieler Beine oder Gliedmaßen. Eine Reihe von Lebewesen, darunter Insekten, Reptilien und kleine Säugetiere, dienen als Inspirationsquelle für den Mechanismus, der die Bewegungen von Mikrorobotern antreibt. Auf der anderen Seite ist RoBeetle ein Beispiel für einen kriechenden Mikroroboter. Der vollautonome Mikroroboter hat ein Gewicht von 88 Milligramm, was in etwa dem Gewicht von drei Reiskörnern entspricht. Methanol wird in einem katalytischen Prozess verbrannt, der dem Roboter seine Energie zur Verfügung stellt. Katalytische künstliche Mikromuskeln auf Basis von NiTi-Pt, die abstimmbar sind und aus einem mechanischen Steuerungsmechanismus bestehen, bilden die Grundlage dieses Designs.

Wenn es darum geht, die Oberflächenbewegung von Mikrorobotern zu betätigen, gibt es noch einige andere...