[論文レビュー] New Directions: Wireless Robotic Materials

Nikolaus Correll, Prabal Dutta+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2017

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マイクロスケールで分散型センシング、作動、計算、通信を統合したスマートコンポジットとしての無線ロボット材料を提案する。ミニチューチャライズドで無線接続かつエネルギー回収可能なデバイスを活用することで、生物学的自律性を模倣する大規模かつ再構成可能なシステムを実現可能とし、無線電力、通信、分散プログラミングにおけるコアな課題を特定するという、基盤的プラットフォームの定義という主な貢献を果たす。

ABSTRACT

We describe opportunities and challenges with wireless robotic materials. Robotic materials are multi-functional composites that tightly integrate sensing, actuation, computation and communication to create smart composites that can sense their environment and change their physical properties in an arbitrary programmable manner. Computation and communication in such materials are based on miniature, possibly wireless, devices that are scattered in the material and interface with sensors and actuators inside the material. Whereas routing and processing of information within the material build upon results from the field of sensor networks, robotic materials are pushing the limits of sensor networks in both size (down to the order of microns) and numbers of devices (up to the order of millions). In order to solve the algorithmic and systems challenges of such an approach, which will involve not only computer scientists, but also roboticists, chemists and material scientists, the community requires a common platform - much like the "Mote" that bootstrapped the widespread adoption of the field of sensor networks - that is small, provides ample of computation, is equipped with basic networking functionalities, and preferably can be powered wirelessly.

研究の動機と目的

• 構造的コンポジットに分散型計算、センシング、作動、通信を統合することで、材料科学における新しいパラダイムを確立すること。
• 数百万個のマイクロスケールデバイスを材料に埋め込んだセンサーネットワークのスケーリングに取り組み、従来の無線センサーネットワーク（WSN）の限界を超えること。
• ロボット材料分野における学際的イノベーションを可能にする標準化されたモーティー型基盤の必要性を特定すること。
• 無線電力と通信が、単なるセンシングと計算にとどまらず、作動を含む高密度で分散型のシステムを支える仕組みであるかどうかを検討すること。
• 材料内に埋め込まれた大規模かつ分散型の制御システムのプログラミングと制御のための新しい研究アジェンダを定義すること

提案手法

• マイクロまたはミリスケールの計算、センシング、作動、通信ノードを材料基板全体に埋め込むことで、コンポジットとしてのロボット材料のビジョンを提示する。
• 無線センサーネットワーク（WSN）、スマートダスト、およびアモルファスコンピューティングの原則を応用し、分散型で自律的な制御と情報処理を可能にする。
• 実験とイノベーションの基盤としての標準化された、無線接続でエネルギー回収可能な「モーティー」基盤を提唱する。
• 生物学的システム（タコの腕や人間の皮膚など）を模倣し、最小限の配線とマイクロおよびセンチメートルスケールでの異種コンポONENTの統合を強調する。
• 無線電力と通信が同じ周波数帯で共存可能であるが、作動を含む大規模で高密度なネットワークではスケーラビリティに疑問が残るとする。
• 局所的で分散型の相互作用からグローバルな挙動を管理するために、新しい空間プログラミングモデルの必要性を示唆する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボット材料用の根本的で標準化された、無線接続でエネルギー回収可能なモーティー基盤とはどのようなものであり、分野を越えて普遍的に採用可能であるか？
• RQ2 既存の無線電力技術（例：約100 µW/cm²）は、センシングと計算に加え、高密度で埋め込まれたネットワークにおける作動をもサポート可能か？
• RQ3 センシングと計算に加え作動を含む、数百万台のデバイスと作動要件を満たすシステムにおいて、電力と通信のための共有無線チャネルが効果的にスケーリング可能か？
• RQ4 イベント駆動型で局所的なプログラミングモデル（例：TinyOS）は、大規模なロボット材料に対して十分か、それとも新しい空間プログラミングの抽象化が必要か？
• RQ5 センサーやプロセッサ、アクチュエータから構成される分散型で非中央集権的な埋め込みシステムにおいて、単純な局所的相互作用からどのように複雑なグローバルな挙動が出現するか？

主な発見

• マイクロスケールの体積で実現可能な埋め込み型無線デバイスの実現は、最近のミニチューチャライゼーション、ピコワットレベルのアイドル電力まで低下した低消費電力コンピューティング、およびエネルギー回収技術の進歩に支えられている。
• 無線電力と通信は同じ周波数帯に配置可能であるが、大規模で作動を含むシステムではスケーラビリティが依然として課題のままである。
• 生物学的システムを模倣したマイクロスケールおよびミクロスケールでの計算、センシング、作動、通信の統合により、材料が自ら形状、剛性、機能を適応的に変化させることで自律的になる可能性が示された。
• イノベーションを促進する基盤として、モジュール型でプログラマブルな「モーティー」プラットフォームの構築が不可欠であり、Moteがセンサーネットワークのイノベーションを促したのと同様の役割を果たす。
• 分散型で局所的かつイベント駆動型のプログラミングモデル（例：TinyOS）は、複雑なグローバルな挙動を処理するには不十分であり、新しい空間プログラミングパラダイムの必要性が示唆された。
• ハードウェアのミニチューチャライゼーション、材料科学、製造コストの低減というトレンドが進む中で、ロボット材料のビジョンは現実的かつ近い将来に実現可能である