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Self-assembly ist ein Prozess durch welche eine organisierte Struktur spontan aus Einzelteilen entstehen kann. Auf Beispielen der Natur aufbauend, wurde ein wasserbasiertes, modularrobotisches System geplant und gebaut, welches aus autonomen Plastikkomponenten bestand. Diese Komponenten waren in der Lage, sich auf der Wasseroberfl¨ache zu aggregieren. In diesem Paper wurde die Auswirkung der Morphologie der Komponenten auf das Resultat des Selbstassemblierung Prozesses untersucht. Dabei lag besonders die Anzahl an gewnschten Aggregaten (”yield”) im Augenmerk. Beschrieben werden die in einem Labor durchgef ¨ uhrten Experimente, sowie die an einem Computer simuliert Ergebnisse. Ausserdem werden die auf chemischen Ratengleichungen basierten Resultate mathematischer Analysen des modularen Systems vorgestellt. Wie gezeigt wird, weisen die Resultate einen polynominellen Zusammenhang zwischen der Yield-Rate und der Form der Module. Es wird ebenso gezeigt, dass innerhalb der Simulation die Yield-Rate unter gewissen Bedingungen abnimmt, wozu eine m¨ogliche Erkl¨arung pr¨asentiert wird. Im Hinblick auf das reale System wird ausserdem beschrieben, wie es m¨oglich ist, den Selbstassemblierungsprozess eines propeller¨ahnlichen Aggregates zu steuern, in dem ein einzelner Parameter (z.B. das von Aussen angelegte elektrische Potential) beeinflusst wird. Offensichtlich weisen die vorgestellten Resultate einen Startpunkt f ¨ ur (a) die quantifizierung des Effektes der Morphologie auf yield- Raten des Selbstassemblierungsprozesses und (b) zum Festlegen des Grades modularer Autonomie und der Anforderungen an f ¨ ur emergente Funktionalit¨at notwendige Rechenressourcen auf. Self-assembly is a process through which an organized structure can spontaneously form from simple parts. Taking inspiration from biological examples of self-assembly, a water-based modu- lar robotic system consisting of autonomous plastic tiles capable of aggregation on the surface of water was designed and built. In this paper, the effect of the morphology (i.e., shape) of the tiles on the yield of the self-assembly process, that is on the final amount of the desired aggregate, is investigated. Both the experiments performed with the real system, as well as those accomplished with a computer simulation will be described. Furthermore, results of a mathematical analysis of the modular system based on chemical rate equations will be presented. As it will be shown, these results point to a power-law relationship between yield rate and shape. It will also be shown how the yield rate drops in a particular case of a simulation and, successively, a probable explanation will be provided. Using the real system, it will be additionally described how it is possible to con- trol the self-assembly process of a propeller-like aggregate by altering a single parameter (i.e., the externally applied electric potential). Apparently, the presented results provide a starting point (a) for quantifying the effect of morphology on the yield rates of the self-assembly process and (b) for assessing the level of modular autonomy and computational resources required for emergent functionality to arise.

Shape-dependent Self-assenmblyin a Stochastic Modular Robot

Shape-dependent Self-assenmblyin a Stochastic Modular Robot

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