Robotermaterialien - Robotic materials
Robotermaterialien sind Verbundmaterialien , die Erfassung, Betätigung, Berechnung und Kommunikation in einem wiederholbaren oder amorphen Muster kombinieren. Robotermaterialien können als rechnergestützte Metamaterialien betrachtet werden, indem sie die ursprüngliche Definition eines Metamaterials als "makroskopische Verbundwerkstoffe mit einer künstlichen, dreidimensionalen, periodischen Zellarchitektur erweitern, die eine optimierte Kombination von zwei oder mehr erzeugt, die in der Natur nicht verfügbar ist Reaktionen auf bestimmte Erregung "durch vollständige Programmierbarkeit. Das heißt, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Metamaterial wird die Beziehung zwischen einer bestimmten Anregung und Reaktion durch Abtasten, Betätigen und ein Computerprogramm gesteuert, das die gewünschte Logik implementiert.
Geschichte
Die Idee, Materialien zu erstellen, die Berechnungen einbetten, ist eng mit dem Konzept der programmierbaren Materie verbunden , ein Begriff, der 1991 von Toffoli und Margolus geprägt wurde und dichte Anordnungen von Computerelementen beschreibt, die komplexe Finite-Elemente-ähnliche Simulationen von Materialsystemen und später lösen könnten entwickelt, um eine Materialklasse zu beschreiben, die aus identischen, mobilen Bausteinen besteht, die auch als vollständig rekonfigurierbare Katome bezeichnet werden und es den Materialien ermöglichen, ihre physikalischen Eigenschaften willkürlich zu ändern.
Robotermaterialien bauen auf dem ursprünglichen Konzept programmierbarer Materie auf, konzentrieren sich jedoch auf die strukturellen Eigenschaften der Einbettungspolymere, ohne dass universelle Eigenschaftsänderungen beansprucht werden. Hier bezieht sich der Begriff "Roboter" auf den Zusammenfluss von Erfassung, Betätigung und Berechnung.
Anwendungen
Robotermaterialien ermöglichen die Entlastung von Berechnungen innerhalb des Materials, insbesondere die Signalverarbeitung , die bei Sensoranwendungen mit hoher Bandbreite oder bei der Rückkopplungssteuerung auftritt , die für eine feinkörnige verteilte Betätigung erforderlich ist. Beispiele für solche Anwendungen sind Tarnung, Formänderung, Lastausgleich und Roboterhäute sowie die Ausstattung von Robotern mit mehr Autonomie, indem ein Teil der Signalverarbeitung und -steuerung in das Material entladen wird.
Forschungsherausforderungen
Die Forschung an Robotermaterialien reicht von der Geräteebene über die Herstellung bis hin zu verteilten Algorithmen, die Robotermaterialien mit Intelligenz ausstatten. Als solches schneidet es die Bereiche Verbundwerkstoffe , Sensornetzwerke , verteilte Algorithmen und aufgrund des Umfangs der beteiligten Berechnung die Schwarmintelligenz . Im Gegensatz zu jedem einzelnen Bereich sind das Design der Struktur, der Sensoren, Aktoren, der Kommunikationsinfrastruktur und der verteilten Algorithmen eng miteinander verknüpft. Beispielsweise beeinflussen die Materialeigenschaften des Strukturmaterials, wie sich zu erfassende Signale durch das Material ausbreiten, in welchem Abstand Rechenelemente beabstandet werden müssen und welche Signalverarbeitung durchgeführt werden muss. In ähnlicher Weise hängen strukturelle Eigenschaften eng mit der tatsächlichen Einbettung der Computer- und Kommunikationsinfrastruktur zusammen. Die Erfassung dieser Effekte erfordert daher eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialien, Informatik und Robotik.