På sensommaren, precis när löven började bli knapriga och krullade i värmen, gick Devin Carroll ut ur sin lägenhet, tittade på marken och plockade upp ett par pinnar som han trodde kunde fungera för hans robot. Omkring en halv tum tjock och lika lång som en vuxen hand, tog han bort de tre pinnarna från deras bark och surrade dem med snöre till StickBot, en modulär robot som består av kretsar, ställdon, en mikrokontroller och en motordrivare.

Drivs av fyra AA-batterier, sammankopplade med en labyrint av kablar och blinkande lampor, StickBots träarmar dunkar nu upp och över och driver roboten över bordet på Penns General Robotics, Automation, Sensing &Perception (GRASP) Lab, där Carroll är en Ph.D. kandidat vid Högskolan för teknik och yrkeshögskola.

Genom att styra roboten med en app han designat visar Carroll hur StickBot kan svänga från att använda pinnarna som ben i "crawler-läge" till att använda dem som armar. I "grasper mode" är pinnarna fästa på en kontrollplatta på ena sidan för att bilda en gångjärnsled medan de rör sig med sin fria ände för att hålla en kopp upprätt.

Snarare än en statisk, unik uppfinning är StickBot en idé, ett flexibelt system som kan konfigureras om på en mängd olika sätt. En modulär robot, StickBots komponenter kan läggas till, justeras och kasseras efter behov.

Mark Yim, Carrolls rådgivare, har varit på Penn i 17 år och är nuvarande chef för GRASP Lab. Den höga mångsidigheten hos modulära robotar ger en stor potential för tekniken att utvecklas, säger Yim. En iteration av detta är självkonfigurerande robotar. "Människor är riktigt bra på att anpassa sig till olika miljöer:När det blir kallt tar man på sig en kappa. Och robotar kan göra det också. Men om robotar också kunde ändra sin form, göra olika saker ... det ger dig fler möjligheter."

Förutom en robot gjord av pinnar har Carroll även byggt en robot gjord av is. Med en rektangulär kropp och två stora hjul ser roboten ut som en korsning mellan en monstertruck och en Cushman-vagn. Det kallas förstås IceBot.

IceBot landade en post 2020 i Guinness Book of World Records som den första roboten helt gjord av is (rädda dess motorförare och manöverdon, som Carroll bäddade in i snidade hål). Carroll hoppas att denna teknik kommer att användas en dag för att utföra uppdrag i Antarktis eller på en isig måne, möjligen som en självkonfigurerande robot. För närvarande är det ett sätt att förfina hans idéer om modulära robotar.

"Lärdomen från IceBot," säger Carroll, "är, var inte rädd för att prova en galen sak. Det kanske bara fungerar."

Hittade föremål, återanvändning av material

Med StickBot fortsatte Carroll sitt kreativa experiment. Den här gången fokuserade han på att hålla kostnaderna låga och skapa ett enkelt system som kunde utföra en rad uppgifter.

"StickBot är ett robotsystem som är avsett att ge användarna en stor mängd flexibilitet till en extremt låg kostnad och vi gör det genom att utnyttja modulariteten hos hittade material", säger Carroll. "Vi har ett gäng trädgrenar eller pinnar och vi kan sätta ihop dem till fackverksstrukturer i olika konfigurationer. Genom att göra det kan vi få saker som en larvrobot eller en griprobot eller egentligen vad du kan föreställa dig. Bakom StickBot är förmågan att konfigurera om saker och göra det extremt prisvärt."

Carroll uppskattar att StickBots totala byggkostnad är under hundra dollar för en enkel modell, även om större system kan kosta mer. Medan vissa komponenter (som ställdonen och motordrivaren) är integrerade i robotens funktion, kan andra bytas ut beroende på vilken uppgift som utförs och vilka material som finns till hands. (Carroll undersöker användningen av varmt lim och tejp i stället för snöre.) Roboten ska kunna konstrueras av saker som människor kan ha till hands, säger han.

Reducera, återanvända och återvinna etos har funnits med Carroll sedan han var ung. Carroll växte upp på en gård på landsbygden i Massachusetts. Han var medlem i 4-H; han fostrade får. "Allt vi gjorde var tänkt att vara förnybart," säger Carroll. "Vi skulle försöka återanvända så mycket material som möjligt när vi bygger saker som lador eller skjul."

Senare gick Carroll till University of Massachusetts Amherst för maskinteknik och gjorde ett sommarprogram för Research Experience for Undergraduates (REU) vid Harvard, där han byggde sin första robot. "Jag var tvåa på ingenjörsskolan, hade ingen aning om vad jag ville göra," säger Carroll. "Jag hade jobbat den vintern på Harvard Forest, bara med underhåll åt dem. En forskare kom fram till mig och sa:"Du är en maskiningenjör, eller hur?" Kan du bygga den här roboten åt mig?"

Carroll byggde roboten, "i huvudsak en låda med en massa sensorer", säger han, och designade en spårvagnsbana i trädkronan, tre ställningshöjder höga. Drivs av ett solladdande batteri, var roboten designad för att korsa ett område för att hjälpa ekologer att avgöra hur snabbt skogen skulle växa igen efter ett kalhygge.

Det var en inflytelserik upplevelse för en ung ingenjör. "Där var jag, omgiven av ekologi och träd och alla dessa forskare och vetenskapsmän. Människor där var väldigt fokuserade på hur vi kan påverka världen omkring oss på ett positivt sätt och skapa en förnybar resurs så att vi inte bara använder något , vi ger faktiskt tillbaka."

Prisvärt och tillgängligt

En möjlig tillämpning för en StickBot-liknande robot är rehabiliteringsinställningar inom global hälsovård, antingen som protes eller i terapi. Avancerade medicinska procedurer är bra, säger Carroll, men är de överkomliga i alla miljöer? Och när den högteknologiska enheten går sönder, hur lätt kan den fixas?

"Om vi ​​kunde distribuera robotsystemet som StickBot i ett scenario som det, kan vi plötsligt påverka många fler människors liv", säger Carroll. Eftersom StickBot är en relativt enkel modulär robot kan dess komponenter lättare repareras och bytas ut.

"Genom att ge människor möjligheten att använda material runt dem gör vi två saker", säger Carroll. "För det första sänker vi kostnaderna för material som är uppmärkta. För det andra kan vi minska komplexiteten utan att minska den operativa funktionen."

Det är definitivt en läglig idé för global hälsa, säger Michelle J. Johnson, docent i fysikalisk medicin och rehabilitering vid Penns Perelman School of Medicine. Johnson, som är chef för rehabrobotlabbet (A GRASP Lab), forskar också i Botswana. "En av de stora frågorna är överkomliga priser", säger hon. Det finns ett behov av att stödja läkare i lägre resurser, men hur gör vi det?"

Konceptet med prisvärda robotar som utnyttjar material som är lokalt och rikligt är övertygande, säger Johnson, för när material och elektronik måste importeras kan kostnaderna öka snabbt.

En modulär robot kan också vara anpassningsbar och hälsokliniker skulle kunna investera i robotens funktionalitet över tid. "Kanske idag har du råd med bara en modul, och imorgon har du råd med den andra, och nu har du ett system som du kan använda på flera sätt," säger Johnson. "Du kan bygga när du går."

StickBot-systemet har potential att användas som en social, terapi-, protes- eller assisterande robot, säger Johnson. I Botswana har några av Johnsons patienter hiv, vilket kan utlösa stroke. En terapeutisk robot som StickBot skulle kunna användas för att stödja ett omedelbart funktionellt behov eller hjälpa patienter att utföra en fysioterapiövning, säger hon.

Den funktionella tillämpningen av idéer är viktig för Carroll. Han vill att alla ska ha tillgång till intressant design som har potential att förbättra livet.

"Har du sett "Big Hero 6'?" frågar Carroll. Han tycker att Disney-filmen borde krävas visning, åtminstone för dem som är intresserade av robotik. I den går hjälten på en ingenjörspresentation för studenter och håller upp sin uppfinning - något som ser ut som en liten järnfil, mindre än ett pinkfinger. Publiken är inte imponerad. Sedan visar hjälten vad tusentals av dessa små doohickeys kan göra. De modulära robotarna länkar ihop och går sönder igen, utan ansträngning bygger ställningar och skapar en upp och ner rörlig gångväg. Möjligheterna begränsas bara av hjältens fantasi.

"Att ha flexibiliteten att göra fler saker betyder att du kan hjälpa fler människor", säger Carroll. "Och om du kan göra det billigt är det ännu bättre." + Utforska vidare

En robot gjord av is kunde anpassa sig och reparera sig själv på andra världar