Mikroroboter, die zusammenarbeiten, bauen mit Metall, Glas und Elektronik

Jemand schaut durch die Tür von Annjoe Wong-Foys Labor auf SRI International könnte meinen, seine Ausrüstung sei von Ameisen befallen. Dunkle Gestalten von etwa einem Zentimeter Durchmesser bewegen sich über erhöhte Laufstege hin und her: Sie umschlingen Hindernisse und tragen kleine Stöcke.

Gebäude groß: Ein Team von drei kleinen, magnetisch gesteuerten Robotern arbeitete zusammen, um diese Struktur aus zahnstochergroßen Carbonstäben zu bauen.

Ein genauerer Blick macht klar, dass diese geschäftigen Viecher tatsächlich von Menschenhand geschaffen wurden. Wong-Foy, ein leitender Forschungsingenieur am SRI, hat eine Armee magnetisch gesteuerter Arbeiter aufgebaut, um die Idee zu testen, dass Mikroroboter eine bessere Möglichkeit sein könnten, elektronische Komponenten zusammenzubauen oder andere kleine Strukturen zu bauen.

Die Roboterarbeiter von Wong-Foy haben bereits bewiesen, dass sie 30 Zentimeter lange Türme aus Karbonstäben und andere Plattformen bauen können, die ein Kilogramm Gewicht tragen können. Die Roboter können mit Glas, Metall, Holz und elektronischen Bauteilen arbeiten. In einer Demonstration stellten sie eine Karbon-Traversenstruktur mit Drähten und farbigen LEDs her, die als Weihnachtsbaum des Labors dienten.

Wir können kostengünstig auf viel mehr Roboter skalieren, sagt Wong-Foy, der glaubt, dass sich sein System zu einem neuen Fertigungsansatz entwickeln könnte. Viele elektronische Bauteile hätten die richtige Größe, um von seinen Mikrorobotern gehandhabt zu werden.

SRI möchte eine Version des Mikrorobotersystems entwickeln, die an andere Forschungslabore und Unternehmen verkauft werden könnte, um damit zu experimentieren. Wir haben die Basisplattform demonstriert und prüfen nun, wie wir das Labor als Forschungsplattform verlassen können, sagt Rich Mahoney, Direktor für Robotik am SRI. Das sollte man im Regal kaufen können.

Die Mikroarbeiter von SRI sind einfach: nur kleine magnetische Plattformen mit einfachen Drahtarmen oben. Sie können sich nur bewegen, wenn sie auf einer Oberfläche mit einem bestimmten Muster von elektrischen Schaltkreisen im Inneren platziert werden. Das Senden von Strom durch die darunter liegenden Spulen übt eine Kraft auf die Magnete aus und lenkt die Roboter herum. Wong-Foy hat dafür eine Software geschrieben und damit die Bewegungen von über 1.000 winzigen Robotern in einem komplexen zirkulierenden Muster choreografiert. Das zeige, dass es möglich sein sollte, sie in großen Teams arbeiten zu lassen, sagt er.

Die Drahtarme der Roboter können sich nicht selbstständig bewegen. Aber die Bildung von Roboterteams mit unterschiedlichen Armtypen macht es möglich, komplexe Arbeiten zu erledigen.

Der Bau einer Fachwerkstruktur erfordert drei Arten von Arbeitern. Man bedient eine Art Zahnstocherspender, drückt einen Hebel, um einen zahnstochergroßen Kohlestab freizugeben. Ein anderer Roboter taucht seine Arme in eine Wasserwanne, um Tröpfchen auf die Enden seiner Arme zu verteilen, und verwendet dann die Oberflächenspannung, um den Stab aufzunehmen. Ein dritter Roboter besucht eine Klebestation, taucht seine Arme ein und trägt dann den Kleber auf die im Bau befindliche Struktur auf. Schließlich drückt der Roboter, der die Stange aufgenommen hat, sie fest und wartet darauf, dass sich ein ultraviolettes Licht einschaltet, um den Klebstoff auszuhärten. Dann kann er sich zurückziehen, um eine neue Rute aufzunehmen.

Die Software, die die Roboter steuert, kann auch die Plattform bewegen, auf der sie sitzen. Es bewegt die Plattform jedes Mal, wenn eine neue Schicht fertiggestellt ist, sodass der Arbeitsraum der Roboter gleich bleibt, während die Struktur, die sie bauen, wächst.

Ähnlich wie die 3D-Drucktechnologie versprechen Mikroroboter eine effizientere Möglichkeit, komplexe Objekte in kleinen Mengen herzustellen als herkömmliche Massenproduktionstechnologie, sagt Mahoney. Das liegt zum Teil daran, dass die Mikroroboter umprogrammiert werden können, um völlig neue Aufgaben zu erfüllen, und zum anderen, weil sie kostengünstig sind. Wir nennen das manchmal Megahertz-Manipulation, sagt er. Wir können uns Manipulation mit Geschwindigkeiten vorstellen, die wir in der Informationsverarbeitung gewohnt sind.

Eine mögliche Anwendung ist die Hilfe bei der Herstellung von Leiterplatten in kleinen Serien für das Prototyping neuer elektronischer Geräte. Bastler und kleine Unternehmen, die an Elektronikhardware arbeiten, stellen heute nur wenige Prototypen von Leiterplatten her, da die Montage von Hand zeitaufwendig ist und die Kosten und Verzögerungen bei der Zahlung von Kleinserien in speziellen Werken entstehen.

Wong-Foy glaubt auch, dass sein Ansatz für die Montage von Geräten nützlich sein könnte, die elektronische und optische Komponenten kombinieren, zum Beispiel als Schnittstelle zu Glasfaserkabeln. Da Silizium und optische Komponenten nicht im selben Schritt verarbeitet werden können, werden sie in dieser Industrie häufig von Hand zusammengebaut. Auf dem Gebiet der optischen Elektronik habe man keinen guten Weg gefunden, Indiumphosphid-Laser mit Siliziumkomponenten zu integrieren, sagt Wong-Foy. Der Maßstab dieser Dinge ist die Größe der Carbonstäbe, die wir hier verwenden.

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