[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出无线机器人材料——一种在微尺度上集成分布式传感、驱动、计算与通信的智能复合材料，以实现可编程、自适应的材料行为。通过利用微型化、无线化及能量采集的器件，该方法可实现大规模、可重构的系统，模拟生物自主性，其关键贡献在于定义了一个基础平台，并识别出在无线供电、通信及分布式编程方面的核心挑战。

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.

研究动机与目标

• 通过将分布式计算、传感、驱动与通信集成到结构复合材料中，建立材料科学的新范式。
• 解决将传感器网络扩展至数百万个嵌入材料中的微米级器件的挑战，突破传统无线传感器网络（WSN）的限制。
• 识别出对标准化、类似无线传感器节点（mote）的基底平台的需求，以促进机器人材料领域的跨学科创新。
• 探索无线供电与通信如何支持密集的分布式系统，不仅限于传感与计算，还包含驱动功能。
• 为在材料中大规模、去中心化、嵌入式系统的编程与控制定义新的研究议程。

提出的方法

• 提出将机器人材料构想为一种复合材料，其中微米或毫米级的计算、传感、驱动与通信节点贯穿整个材料基体。
• 借鉴无线传感器网络（WSNs）、智能尘（smart dust）与无定形计算（amorphous computing）的原理，实现去中心化、分布式控制与信息处理。
• 倡导采用标准化、无线化及能量采集的“mote”基底作为实验与创新的基础平台。
• 强调在微米与厘米尺度上实现最小化布线及异构组件的集成，受章鱼触手与人类皮肤等生物系统启发。
• 提出无线供电与通信可在同一频段共存，但质疑其在包含驱动功能的大规模密集网络中的可扩展性。
• 建议可能需要新型的空间编程模型，以从局部、去中心化的交互中管理全局行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 机器人材料所需的标准化、基础性、无线化及能量采集的mote基底应具备何种形态？如何在各领域实现普遍采用？
• RQ2 现有无线供电技术（例如，约100 µW/cm²）是否能够支持密集嵌入网络中的传感、计算与驱动功能？
• RQ3 在包含数百万台设备及驱动需求的系统中，用于供电与通信的共享无线信道能否实现有效扩展？
• RQ4 事件驱动、局部编程模型（如TinyOS）是否足以应对大规模机器人材料？还是需要新的空间编程抽象？
• RQ5 在由传感器、处理器与执行器构成的去中心化嵌入式系统中，复杂全局行为如何从简单局部交互中涌现？

主要发现

• 机器人材料领域得益于微型化、低功耗计算（最低可达皮瓦特待机功耗）及能量采集技术的最新进展，使得微米尺度体积内实现嵌入式无线器件成为可能。
• 无线供电与通信可共址在同一频段，但其在大规模驱动系统中的可扩展性仍是开放挑战。
• 在微米与中尺度上集成计算、传感、驱动与通信（受生物系统启发）可使材料自主调节其形状、刚度与功能。
• 一个基础性、模块化且可编程的“mote”平台对于推动创新至关重要，其作用类似于Mote之于传感器网络革命。
• 分布式、本地化及事件驱动的编程模型（如TinyOS）可能不足以支持复杂全局行为，提示需要新的空间编程范式。
• 机器人材料的愿景切实可行且已近在咫尺，其驱动力来自硬件微型化、材料科学进步及制造成本的降低。