Очень маленький футбол: футбольная лига нанороботов

Очень маленький футбол: футбольная лига нанороботов

    Поле для нанофутбола Мяч является диском из оксида кремния диаметром приблизительно 100 мкм. На нижней поверхности мяча сделаны выступы для понижения трения о подложку, а вытравленная буква «Т» делает мяч видимым в микроскоп
    Правила нанолиги Игровое поле нанолиги является квадратом со стороной 2,5 мм, окруженный барьером из фоторезиста.
    Вместо травы — кремниевая подложка, в которую интегрированы электроды (сверху смогут быть покрыты оксидным слоем) — для управления и питания игроками. На противоположных сторонах поля находятся «ворота» — шириной 900 мкм и 500 мкм в глубину.
    Судьи следят за ходом матча посредством камеры, установленной вместо одного из окуляров бинокулярного микроскопа. Изображение от второй камеры употребляется командой для управления игроками.
    Большой размер «игрока» ограничен 300 мкм, так что, в случае если сказать строго, это не нанофутбол, а микрофутбол (классификация на «микро» и «нано» производится не по массе, в частности по размерам).
    Сольные выступления Сам матч — это не игра с участием соперников, а сольное выступление, складывающееся из трех необходимых частей. Первая — это «2-мм рывок» (2-mm Dash), что демонстрирует свойство игрока пересечь игровое поле в спринтерском режиме (дается три попытки, засчитывается лучшая).

    Вторая — «слалом» (Slalom Drill), где игрок на пути от ворот до ворот обводит четырех неподвижных защитников (пластиковые столбики). И наконец, владение мячом: за 180 секунд «футболист» обязан забить как возможно больше голов (Ball Handling Drill). В качестве дополнительного (необязательного) задания правила предусматривают возможность демонстрации координированной групповой игры (либо танцев), но, как выяснилось, пока никто из команд не готов этого сделать.
    Дизайн для финала: как устроен робот-футболист, победивший финал
    Электростатическая гусеница «Щеточный» движитель — пластинка Г-образного профиля, прижимаемая к поверхности электростатическими силами. При циклическом повторении этого процесса пластинка «ползет»
    Актуальный формат Сейчас приставка «нано» стала очень актуальной.
    В действительности это слово в применении к природным либо неестественным конструкциям либо явлениям свидетельствует, что их размеры равны порядка сотен нанометров либо менее. В таких масштабах вступают в воздействие разные эффекты, в большинстве случаев не замечаемые в привычных нам масштабах. Это обусловливает необыкновенные особенности веществ, измельченных до наноразмеров.
    Обратите внимание, что в соответствии с данной классификации роботы и футбол, обрисованные в данной статье, относятся не к наномиру, а к микромиру. Но не следует забывать, что это только первый ход в этом направлении

Этим летом в Швейцарии сложно было отыскать место, где не говорили бы о футболе. Вот и на лекции в известном Цюрихском политехе, ETH Zurich (это учебное заведение закончил Альберт Эйнштейн), посвященной анонсу нового исследовательского центра в области нанотехнологий, что университет сооружает совместно с компанией IBM, доктор наук Стивен Брэдли не удержался: «Кстати, в прошедшем сезоне отечественная команда стала мировым чемпионом по футболу!» Слушатели оживились, в глазах многих показалось удивление.

Выдержав паузу, доктор наук показал фотографию команды ETH с чемпионским кубком в руках: «Действительно, игроков на данной фотографии не видно — уж весьма они мелкие. Их большой размер, ограниченный правилами, — 300 микрон».

Победить чемпионов

Уже пара лет каждый год в ходе проекта RoboCup проводятся соревнования по футболу среди роботов. Амбициозная цель проекта указана на основной странице сайта: «К 2050 году создать команду всецело независимых гуманоидных роботов, каковые смогут победить футбольный матч против сборной чемпионов-людей». Ясно, что до тех пор пока до нее на большом растоянии и команды роботостроителей и программистов между собой в нескольких лигах.

На поле играются среднего роботов размеров и команды малого, четырехногие и гуманоидные, а программисты соревнуются в написании симуляторов игры. В 2006 году добавилась еще одна увлекательная номинация — Nanogram Competition, в которой людям совсем определенно ничего не светит. Эта лига названа по весовой категории игроков — пара нанограммов.

Организацию первого мирового чемпионата, прошедшего в июле 2007 года в Атланте, штат Джорджия, взял на себя американский Университет технологий и стандартов (National Institute of Standards and Technology, NIST). В чемпионате участвовали пять команд: две из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге — CMU 1 и Magic and Voodoo («Волшебство и вуду»), из Военно-морской академии США в Аннаполисе, Polymer MEMS Pros из канадского Университета Саймона Фрейзера и команда Цюрихского политехнического университета (ETH Zurich).

весла и Щётки

В отличие от настоящих футболистов, никакой автономности у роботов нет. Более того, в миниатюрные размеры, заданные правилами, сложно уложить кроме того источник питания, исходя из этого энергию приходится черпать извне — или от электродов, вмонтированных в кремниевую подложку, или от электрических либо магнитных полей, создаваемых соответствующими электродами либо катушками, окружающими игровое поле (единственное ограничение — никаких проводов, конкретно подключенных к самому роботу). Различные команды придерживаются различных подходов к этому вопросу.

Три из пяти команд сделали ставку на электричество. Робот американской Военно-морской академии перемещается и управляется посредством электростатики. Подавая напряжение на электроды подложки, покрытые оксидным слоем (для изоляции), возможно поменять «клиренс» робота, оснащенного так называемым щеточным движителем (scratch drive actuator) — упругой Г-образной пластинкой, которая при сгибании повторяет перемещение гусеницы-землемерки.

Так возможно обеспечить поступательное перемещение, для поворота же напряжение на электродах в том месте, где сейчас находится робот, увеличивается и боковое рулевое «весло», поднятое высоко над подложкой, притягивается к ней и «табанит» (морское происхождение как-никак) конструкцию, поворачивая ее около собственной оси. Похожим образом (щеточный движитель плюс рулевое «весло») устроены роботы канадской команды и CMU 1.

Магнитная волшебство

Две другие команды пошли по иному пути, питая собственных игроков магнитным полем. Робот Университета Карнеги-Меллон имеет размеры 200х100х50 мкм и является магнитом типа неодим-железо-бор (NdFeB) без какой-либо механики. Для управления употребляются две пары катушек, расположенные в плоскости подложки и создающие направленное в нужную сторону градиентное магнитное поле.

Для контроля перемещения употребляется еще одна катушка, расположенная под подложкой, — она формирует пульсирующее магнитное поле, прижимающее робота к поверхности подложки. В следствии перемещения робота напоминают что-то среднее между танцем и ритмичными прыжками под тамтамы (по-видимому, именно это сходство и обусловило выбор столь необычного заглавия команды — «Волшебство и вуду»). Меняя частоту пульсации, возможно изменять скорость, которая достигает 13 мм/с (60 длин самого робота).

Швейцарский робот (квадрат со стороной 300 мкм) складывается из двух неравных никелевых брусков, меньший из которых жестко прикреплен к золотой раме, стоящей на подложке. Для уменьшения трения при перемещении рама снабжена маленькими «пупырышками». Второй, больший никелевый брусок прикреплен к первому посредством пружины.

В магнитном поле бруски притягиваются друг к другу, исходя из этого, в случае если создать переменное магнитное поле на резонансной частоте пружины, бруски будут колебаться с большой амплитудой а также сталкиваться между собой, передавая импульс. В простой ситуации это не имеет возможности привести к поступательному перемещению — подобное не разрещаеться законом сохранения импульса.

Но в случае если варьировать силу трения в те моменты, в то время, когда бруски сближаются либо удаляются, возможно добиться поступательного перемещения таковой конструкции. На электроды, вмонтированные в подложку и отделенные от рамы робота изолирующим оксидным слоем, подается электрическое напряжение, и появляющиеся электростатические силы прижимают робота к полю, увеличивая силу трения. Остается синхронизовать магнитное поле с подачей напряжения на электроды — и робот начинает с уверенностью двигаться.

Направлять его возможно, изменяя направление магнитного поля: конструкция поворачивается так, дабы долгая ось брусков совпала с направлением силовых линий поля.

Секрет победы

«Руководить отечественным роботом весьма легко, — растолковывает Брэдли Краточвил, аспирант ETH и фаворит команды. — У него всего два параметра — направление перемещения определяется магнитным полем, а скорость — длительностью прижима к подложке. Руководить возможно вручную либо по заданной программе распознавания, приобретающей изображение с камеры. Магнитно-резонансная разработка разрешает обойти кое-какие неприятности — скажем, стремительное убывание поля с расстоянием.

на данный момент мы изучаем возможности ее применения в медицине, потому, что таковой метод энергопередачи прекрасно трудится в жидких электропроводящих средах, где нереально применять высокие напряжения».

«Очевидно, никто не рассматривает эту игру так же без шуток, как настоящий футбол, — говорит доктор наук Брэдли, возглавляющий Отделение интеллектуальных систем и робототехники (IRIS, Institute of Robotics and Intelligent Systems) в Цюрихском политехе. — Данный проект, занявший у студентов около семи месяцев (за это время мы поменяли пять разных вариантов конструкции роботов), дал им красивое представление о том, что включает в себя микроробототехника, от моделирования и идеи до изготовления электронных компонентов и фактически роботов, написания управляющих программ, и неспециализированной координации всего этого. Помимо этого, это эргономичный метод демонстрации возможностей в области управления и изготовления микророботами.

Подобные системы, к примеру, смогут отыскать широкое использование в медицине. Фактически, основная изюминка отечественных «игроков» — метод перемещения посредством резонанса в магнитном поле — изначально разрабатывался как раз для применения в медицине».

Футбольные пионеры

Первый этап чемпионата в Атланте сразу же продемонстрировал, что нанофутбол (правильнее, его необходимо именовать микрофутболом, но такова уж традиция) до тех пор пока делает лишь первые шаги — «футболисты» канадской команды, американской Военно-морской академии и CMU 1 не смогли ни «обвести» неподвижных пластиковых «защитников», ни кроме того игровое поле. Исходя из этого в финале, в случае если возможно так выразиться, главная борьба шла между командами Университета Карнеги-Меллон и Цюрихского политеха.

«Отечественный робот был более резвым и лучше управляемым, — радуясь, говорит «ПМ» доктор наук Брэдли. — Он пересекал игровое поле за 316 мс, а отечественным соперникам для этого потребовалось аж четыре секунды! Обвод защитников занял у нас 583 мс, а у Карнеги-Меллон — более пяти секунд. Ну, и, очевидно, голы — за отведенное время мы забили три мяча, а отечественные соперники — ни одного. Так мы и стали первыми в истории мировыми чемпионами по нанофутболу.

И не смотря на то, что сам матч возможно было заметить лишь в микроскоп, чемпионский кубок в полной мере видно невооруженным глазом».

Участники мирового чемпионата

    Военно-морская академия США
    Университет Саймона Фрейзера
    Университет Карнеги-Меллон

В первом чемпионате мира RoboCup Nanogram Competition в Атланте, штат Джорджия, прошедшем в июле 2007 года, участвовали пять команд из разных университетов США, Швейцарии и Канады. В финал вышли лишь две из них

Военно-морская академия США (Аннаполис, США)

Размер: 300 мкм

Материалы: кремний, хром

Движитель: «щеточный» (scratch drive), рулевое «весло» (stylus)

Питание: вертикальное электрическое поле

Университет Саймона Фрейзера (Бёрнаби, Канада)

Размер: 250 мкм

Материалы: полимер, металл

Движитель: «щеточный» (scratch drive), рулевое «весло» (stylus)

Питание: вертикальное электрическое поле

Университет Карнеги-Меллон (Питтсбург, США)

Размер: 300 мкм

Материалы: оксид кремния, алюминий

Движитель: «щеточный» (scratch drive), рулевое «весло» (stylus)

Питание: вертикальное электрическое поле

Университет Карнеги-Меллон (Питтсбург, США)

Размер: 200 мкм

Материалы: неодим-железо-бор

Движитель: сотрудничество с магнитным полем

Питание: горизонтальное и вертикальное магнитные поля

Кузница чемпионов

Микророботы производятся по стандартным для MEMS и микроэлектроники разработкам: гальванического осаждения и фотолитографии. Первый процесс пребывает в том, что на подложку наносят слой фоторезиста, а после этого экспонируют его через фотошаблон. Засвеченную часть фоторезиста растворяют (для негативного процесса), а после этого протравливают подложку в нужных местах.

Оставшийся фоторезист кроме этого удаляется. Гальваническое осаждение разрешает наносить слои металла на подготовленные способом фотолитографии электропроводящие части подложки.

Первый слой

В подложке изготавливается форма с углублениями для выступов рамы. На взятую «матрицу"наносится слой титана и меди, а после этого фоторезист, по окончании чего фотолитографически формируется область молоточка, «немного поднятая» над рамой, на которую наносится бронзовая «подставка»

Второй слой

На взятую конструкцию наносят слой фоторезиста, определяющий пружины и форму рамы. По окончании экспонирования наносят слой золота

Третий слой

Формирование никелевых брусков: очередной слой фоторезиста, экспонирование и наковальни «и» нанесение «молоточка». После этого лишние части — медную подставку и подложку — , оставляя два никелевых бруска, пружину и золотую раму. золото и Никель выбраны за собственные технологичные и магнитные особенности (никель магнитный, а золото — нет)

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№71, сентябрь 2008).

<

h4>

ТОП 5 вундеркиндов каковые в будущем станут Преданиями футбола

Статьи, которые будут Вам интересны: