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>