Manipulation and assembly of objects using spatially nonlinear stochastic force fields

Luonnossa kaikkialla esiintyvät spatiaalisesti epälineaariset stokastiset voimakentät osoittavat poikkeuksellisia kykyjä muotoilla, kuljettaa ja koota objekteja - mutta silti ne ovat edelleen hyvin vähän tutkittuja ja hyödyntämättömiä. Esimerkiksi tuulet, joiden nopeus ja suunta vaihtelevat satunnaisesti, muodostavat vähitellen monimutkaisia hiekkadyynejä ja kuljettavat erilaisia kappaleita, siemenistä roskiin, pitkiä matkoja. Tällaisten luonnonilmiöiden innoittamana tämä tutkielma tutkii tällaisten voimien potentiaalia objektien hallittuun kokoamiseen ja etäohjaukseen kahden esimerkillisen kentän kautta: värähtelykenttien ja ilmavirtauskenttien. Vaikka nämä kentät ovat fysikaaliselta alkuperältään erilaisia, niillä on yhteisiä laadullisia ominaisuuksia, kuten voiman voimakkuuden ja suunnan epälineaariset spatiaaliset vaihtelut yhdistettynä satunnaisiin vaihteluihin. Ensinnäkin tutkielmassa osoitetaan, että akustiset värähtelykentät voidaan ohjelmoida kokoamaan hiukkaset haluttuihin kaksiulotteisiin muotoihin värähtelevälle levylle. Aikaisemmat lähestymistavat tärinän aiheuttamaan hiukkasten kokoamiseen olivat rajoittuneet muotoihin, jotka olivat yhdenmukaisia tärisevän levyn luontaisten solmukohtien kanssa. Tämä työ laajentaa näitä rajoja käyttämällä datapohjaisia malleja stokastisen hiukkasten liikkeen ennustamiseen ja optimointialgoritmia, joka minimoi toistuvasti halutun ja todellisen hiukkasten jakautumisen välisen eron levyllä. Tämä mahdollistaa jopa 100 hiukkasen kokoamisen monimutkaisiksi, tunnistettaviksi muodoiksi, kuten latinalaisiksi kirjaimiksi ja geometrisiksi kuvioiksi. Toisin kuin perinteiset ulkoisesti ohjattavat kokoonpanomenetelmät, jotka perustuvat staattiseen kenttä- tai mallipohjaiseen energian minimointiin, ehdotettu lähestymistapa jäljittelee luonnollisia muovausprosesseja, joita ohjaavat pitkäaikaiset, ajallisesti vaihtelevat, epälineaariset ulkoiset ärsykkeet. Toiseksi tutkitaan ilmavirtauskenttiä työkaluina erilaisten kappaleiden etäohjaamiseen ilman kosketusta. Perinteiset kosketuksettomat tekniikat, kuten magneettinen, akustinen tai optinen manipulointi, ovat useimmiten rajoitettuja materiaalin erityispiirteiden, tiukkojen muotovaatimusten tai lyhyiden toiminta-alueiden vuoksi, jotka rajoittuvat tyypillisesti muutamaan senttimetriin. Sen sijaan tämä tutkielma osoittaa, että yhden ilmasuihkun aiheuttama ilmavirta voi etäohjata ja automaattisesti manipuloida erilaisia materiaaleja ja muotoja olevia esineitä jopa 2.7 metrin etäisyydeltä, jolloin keskimääräinen reitinseurantavirhe on 1.5 cm tai vähemmän. Tämä lähestymistapa on osoittautunut tehokkaaksi sekä kiinteillä että vesipinnoilla, se on osoittanut kestävyytensä esteiden ja ilmavirtauksen häiriöiden läsnä ollessa ja se on sovellettavissa useisiin käytännön skenaarioihin. Automaattisen objektien käsittelyn saavuttamiseksi otetaan käyttöön kaksi ohjausstrategiaa: malliton ohjain, joka toimii pelkästään konenäön palautteen perusteella, ja mallipohjainen ohjain, joka hyödyntää analyyttistä ilmavirtauskenttämallia ja opittua objektien dynamiikkaa, mikä mahdollistaa useiden kohteiden ohjauksen. Tämä tutkimus käsittelee luonnosta inspiraationsa saaneiden ja insinöörilähtöisten manipulointija kokoonpanomenetelmien välistä kuilua. Se korostaa spatiaalisesti epälineaaristen stokastisten voimakenttien muutospotentiaalia valmistuksessa, robotiikassa ja muissa sovelluksissa, tarjoamalla uusia paradigmoja kenttäpohjaiseen kokoonpanoon ja monipuolisiin, kosketuksettomiin manipulaatioteknologioihin.