Bioinspired Jumping Locomotion for Miniature Robotics

In nature, many small animals use jumping locomotion to move in rough terrain. Compared to other modes of ground locomotion, jumping allows an animal to overcome obstacles that are relatively large compared to its size. In this thesis we outline the main design challenges that need to be addressed when building miniature jumping robots. We then present three novel robotic jumpers that solve those challenges and outperform existing similar jumping robots by one order of magnitude with regard to jumping height per size and weight. The robots presented in this thesis, called EPFL jumper v1, EPFL jumper v2 and EPFL jumper v3 have a weight between 7g and 14.3g and are able to jump up to 27 times their own size, with onboard energy and control. This high jumping performance is achieved by using the same mechanical design principles as found in jumping insects such as locusts or fleas. Further, we present a theoretical model which allows an evaluation whether the addition of wings could potentially allow a jumping robot to prolong its jumps. The results from the model and the experiments with a winged jumping robot indicate that for miniature robots, adding wings is not worthwhile when moving on ground. However, when jumping from an elevated starting position, adding wings can lead to longer distances traveled compared to jumping without wings. Moreover, it can reduce the kinetic energy on impact which needs to be absorbed by the robot structure. Based on this conclusion, we developed the EPFL jumpglider, the first miniature jumping and gliding robot that has been presented so far. It has a mass of 16.5g and is able to jump from elevated positions, perform steered gliding flight, land safely and locomote on ground with repetitive jumps1. ______________________________ 1See the collection of the accompanying videos at http://lis.epfl.ch/microglider/moviesAll.zi

Space-Time Continuous Models of Swarm Robotic Systems: Supporting Global-to-Local Programming

A generic model in as far as possible mathematical closed-form was developed that predicts the behavior of large self-organizing robot groups (robot swarms) based on their control algorithm. In addition, an extensive subsumption of the relatively young and distinctive interdisciplinary research field of swarm robotics is emphasized. The connection to many related fields is highlighted and the concepts and methods borrowed from these fields are described shortly

Innovative designs and applications of Janus micromotors with (photo)-catalytic and magnetic motion

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el diseño y desarrollo de micromotores Janus biocompatibles y su aplicación en ámbitos relevantes de la salud y de la protección medioambiental. Los micromotores Janus son dispositivos en la microescala autopropulsados que tienen al menos dos regiones en su superficie con diferentes propiedades físicas y químicas, lo que les convierte en una clase distintiva de materiales que pueden combinar características ópticas, magnéticas y eléctricas en una sola entidad. Como la naturaleza del micromotor Janus -el dios romano de las dos caras- los objetivos de esta Tesis Doctoral presentan naturaleza dual y comprenden desarrollos de química fundamental y de química aplicada. En efecto, por una parte, el objetivo central aborda el diseño, síntesis y ensamblaje, así como la caracterización de micromotores Janus poliméricos propulsados por mecanismos (foto)-catalíticos y/o accionados por campos magnéticos. Por otra parte, el objetivo central implica la aplicación de los micromotores desarrollados para resolver desafíos sociales relevantes en los ámbitos químico-analítico, biomédico y ambiental. Partiendo de estas premisas, en la primera parte de la Tesis Doctoral, se sintetizaron micromotores Janus de policaprolactona propulsados químicamente integrando nanomateriales para el diseño de sensores móviles para la detección selectiva de endotoxinas bacterianas. De esta forma, el movimiento autónomo del micromotor mejora la mezcla de fluidos y la eficacia de las reacciones implicadas permitiendo detectar el analito en pocos minutos, incluso en muestras viscosas y medios donde la agitación no es posible. Además, esta autopropulsión es altamente compatible con su empleo en formatos ultra-miniaturizados para el desarrollo de futuros dispositivos portátiles en el marco de la tecnología point of care para aplicaciones clínicas y agroalimentarias. Con el fin de incrementar su biocompatibilidad para aplicaciones in vivo, en una segunda etapa de la Tesis Doctoral, se diseñaron micromotores Janus con propulsión autónoma utilizando luz visible para la eliminación de toxinas relevantes en procesos inflamatorios. El fenómeno autopropulsivo del micromotor y su capacidad de interacción con agentes tóxicos condujo a metodologías más rápidas y eficaces infiriéndose un futuro prometedor de estos micromotores para el tratamiento del shock séptico o intoxicación. En una tercera etapa, se sintetizaron micromotores propulsados por campos magnéticos. Estos micromotores utilizan una aproximación elegante de propulsión, exenta del empleo de combustibles químicos tóxicos como sucede en la propulsión catalítica y, en consecuencia, biocompatible. Asimismo, este mecanismo propulsivo permite controlar e incluso programar su trayectoria para aplicaciones que requieran de un guiado y de un control preciso de esta. De manera específica, estos micromotores han sido aplicados en esta Tesis Doctoral para la liberación controlada de fármacos en el tratamiento de cáncer pancreático y como elementos de remediación ambiental en la eliminación de agentes nerviosos en aguas contaminadas