MARC

 008260126s2024        us                              c    eng  d
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■1001  ▼aHao,  Zhijian.
■24510▼aSensing,  Actuation,  and  Intelligence  Integration  in  Micro-Robotics
■260    ▼a[Sl]▼bGeorgia  Institute  of  Technology▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a275  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Ansari,  Azadeh.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Georgia  Institute  of  Technology,  2024.
■520    ▼aThe  field  of  micro-robotics  has  seen  significant  advancements  in  the  recent  years,  including  innovative  actuation  mechanisms  for  sub-millimeter  robots,  emergent  behaviors  in  miniaturized  robot  swarms,  and  promising  applications  in  critical  industries  such  as  healthcare,  environmental  surveying,  defense,  and  security,  among  others.  Despite  the  promising  applications,  the  robot  miniaturization  faces  additional  challenges  due  to  constraints  on  size,  weight,  power  and  cost  (SWaP-C).This  work  focuses  on  enabling  technologies  to  enhance  micro-robot  performance  and  system  integration  across  the  domains  of  mechanical  engineering,  electrical  engineering,  physics,  chemistry,  and  computer  science.  Four  projects  are  presented,  each  showcasing  unique  implementations  of  micro-robots  with  advancements  in  their  sensing,  actuation,  intelligence  and  swarm  capabilities.  From  the  smallest  3-mm  robots  with  no  on-board  systems  to  fully  integrated  robots  measuring  a  few  centimeters  in  size  aiming  to  explore  the  extraterrestrial  ocean,  the  work  demonstrates  the  trade-offs  between  form  factors  and  functionalities  and  pathways  to  meaningful  integration  at  different  scales.Collective  behaviors  enable  micron-  and  millimeter-scale  micro-robots  to  coordinate  and  carry  out  tasks  beyond  individual's  capacity.  Such  behaviors  are  often  preconditioned  on  the  formation  of  high-density  aggregations  of  the  robot  swarm.  By  leveraging  the  physics  phenomenon  of  motility-induced  phase  separation  (MIPS),  we  demonstrated  for  the  first  time  the  control  of  the  degree  of  aggregation  in  a  swarm  of  300  3-mm  microrobots  without  any  integrated  sensing  or  communication  capabilities.  The  robot  swarm  is  uniformly  controlled  by  global  vibration  actuation  frequency  and  magnitude,  yet,  due  to  changes  in  motion  characterization  and  collision  physics,  the  robots  can  be  controlled  to  either  disperse  for  coverage  of  the  domain  or  aggregate  into  clusters.  This  project  delves  into  the  fundamental  physics  of  controlling  micro-swarm  aggregation,  which  is  broadly  applicable  to  various  micro-robot  designs.Besides  using  global  actuation  control  for  inducing  emergent  swarm  behaviors  in  microrobots,  on-board  piezoelectric  thin-film  actuators  are  integrated  on  individual  micro-robots  at  a  few  centimeter  scale.  These  micro-robots  demonstrated  a  novel  single-actuator  steering  mechanism  based  on  the  concept  of  mechanical  resonance.  The  integrated  thin-film  piezoelectric  actuator  is  used  to  induce  different  frequencies  and  excite  various  resonance  modes  achieved  by  asymmetrical  robot  design,  allowing  for  frequency-controlled  motion  in  the  2-dimensional  plane.  Compared  to  differential  drive  systems  that  use  multiple  motors  or  actuators,  the  novel  use  of  a  single  actuator  achieves  the  same  functionality  with  scalable  miniaturization  prospects.The  adoption  of  the  single  piezoelectric  actuator  steering  mechanism  preserves  the  precious  space  for  critical  integration  of  subsystems  such  as  sensing  and  intelligence.  In  a  3-cm  robot,  the  steering  mechanism  is  accompanied  by  an  autonomous  vision  system  enabled  by  the  integration  of  a  camera  and  convolution  neural  network  (CNN)  based  computer  vision  intelligence,  presenting  the  first  implementation  of  a  fully  autonomous  micro-robot  capable  of  searching  and  tracking  targets  at  this  scale.The  final  project  intensifies  the  focus  on  system  integration  within  micro-robotic  platforms  and  their  real-life  applications.  Developed  for  potential  extraterrestrial  oceanographic  exploration  on  Jupiter's  moon  Europa,  the  micro  swimming  robot  swarm  is  equipped  with  on-board  communication,  power,  actuation,  computation,  and  sensing  subsystems.  To  minimize  payload  impact,  these  micro-robots  are  a  few  centimeters  long,  posing  significant  integration  challenges.  A  custom  multi-modal  sensing  module,  developed  using  microelectromechanical  system  (MEMS)  technology,  equips  the  micro-robot  with  the  ability  to  sense  temperature,  conductivity,  pressure,  pH,  and  biochemical  markers  simultaneously.  Together  with  the  swarm  implementation,  this  sensing  module  aims  to  provide  comprehensive  data  on  Europa's  ocean  environment,  assisting  scientific  understanding  and  the  search  for  extraterrestrial  life.In  conclusion,  this  thesis  advances  the  field  of  micro-robotics  through  innovative  developments  in  actuation,  sensing,  and  intelligence  across  various  scales  of  micro-robots.  The  integration  of  multidisciplinary  technologies  has  resulted  in  highly  functional  micro-robots  with  the  potential  for  groundbreaking  applications.  Future  research  can  build  on  these  findings,  aiming  to  overcome  the  challenges  of  SWaP-C  constraints,  further  enhancing  the  capabilities  and  applications  of  micro-robots.
■590    ▼aSchool  code:  0078.
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■71020▼aGeorgia  Institute  of  Technology.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-05B.
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■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17360319▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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