Forskere udvikler kollektiver af mikroroboter, der kan bevæge sig i ønskede formationer

Et hold af forskere fra forskellige institutioner, herunder Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University og Shanghai Jiao Tong University, har udviklet kollektiver af mikroroboter, der kan bevæge sig i enhver ønsket formation.

Forskningen blev ledet af Gaurav Gardi og prof. Metin Sitti fra MPI-IS, Steven Ceron og prof. Kirstin Peterson fra Cornell, og prof. Wendong Wang fra Shanghai Jiao Tong University.

Forskningen med titlen ”Mikrorobot-kollektiver med omkonfigurérbar morfologi, adfærd og funktion” blev offentliggjort i Nature Communications.

Omkonfiguration af de miniaturepartikler

De miniaturepartikler kan omkonfigurere sværmeadfærden meget hurtigt. Når de flyder på overfladen af vand, kan de mikrorobotiske skiver bevæge sig i cirkler, danse rundt, sprede sig som gas, samle sig eller danne en lige linje.

Hver enkelt robot er lidt større end bredden af et menneskehår, og de er 3D-printet med en polymer, før de bliver belagt med et tyndt overlag af kobolt. Metallet giver mikroroboterne evnen til at blive miniature-magnetiske, mens wire-coils skaber et magnetfelt, når elektricitet flyder gennem dem. Dette magnetfelt gør det muligt at præcist flytte partiklerne rundt i en en-centimeter-bred vandpøl.

Et imponerende eksempel på dette er, når robotterne danner en linje, som forskerne kan flytte rundt for at “skrive” bogstaver i vandet.

Udviklingen af sværmerobotik påvirkes af kollektiv adfærd og sværme-mønstre i naturen, såsom en flok fugle. Implementeringen af sværmeadfærd i robotik har eksploderet i popularitet for nylig.

Men når den enkelte partikel er for lille til computation, eller en robot kun er 300 mikrometer bred, kan den ikke programmeres med en algoritme. For at kompensere for dette må forskerne stole på tre forskellige kræfter. Den første er magnetkraften, der opstår, når to magneter med modsatte poler tiltrækker eller to identiske poler frastøder hinanden.

Den anden kraft er den fluide omgivelse, eller vandet omkring skiverne. Dette kan ses, når partikler svømmer i en hvirvel af vand, hvilket resulterer i, at vandet bliver flyttet, og andre omgivende partikler ændres. Hastigheden af hvirvlen og magnetfeltet bestemmer, hvordan partiklerne interagerer.

Den tredje kraft indebærer to partikler, der flyder ved siden af hinanden, hvilket ofte resulterer i, at de driver mod hinanden. Vandoverfladen er bøjet på en måde, der får dem til at mødes.

Styring af robotterne

Forskerne har brugt alle disse kræfter til at skabe en kollektiv og koordineret bevægelsesmønster for dusinvis af mikroroboter som ét system. Videnskabsmændene kan styre robotterne gennem en parkour, mens de viser formationen, der bedst passer til en given hindring. For eksempel vil mikroroboterne danne en enkelt fil for at komme gennem en smal passage.

Robotterne kan opnå flere forskellige bevægelsesmønstre og formationer, hvilket opnås gennem ekstern computation. En algoritme er programmeret til at skabe et magnetfelt, der enten roterer eller svinger, og dette udløser den ønskede bevægelse af robotterne.

Gaurav Gardi er en ph.d.-studerende på afdelingen for fysisk intelligens på MPI-IS. Han er en af hovedforfatterne af studiet sammen med Steven Ceron.

“Afhængigt af, hvordan vi ændrer magnetfeltet, opfører skiverne sig på en anden måde,” siger Gaurav Gardi. “Vi justerer en kraft og derefter en anden, indtil vi får den bevægelse, vi ønsker. Hvis vi roterer magnetfeltet inden for coilene for hurtigt, er kraften, der får vandet til at flytte sig, for stærk, og skiverne flytter sig væk fra hinanden. Hvis vi roterer for langsomt, er cheerio-effekten, der tiltrækker partiklerne, for stærk. Vi må finde balancen mellem de tre.”

Forskere på området arbejder også på at gøre disse mikrorobot-kollektiver endnu mindre.

“Vores vision er at udvikle et system, der er endnu mindre, bestående af partikler, der kun er en mikrometer store. Disse kollektiver kunne potentielt gå ind i den menneskelige krop og navigere gennem komplekse miljøer for at levere lægemidler, for eksempel, for at blokere eller åbne passage eller for at stimulere et svært tilgængeligt område,” siger Gardi.

Metin Sitti leder afdelingen for fysisk intelligens.

“Robot-kollektiver med robuste overgange mellem bevægelsesadfærd er meget sjældne. Men sådanne fleksible systemer er gavnligt at operere i komplekse miljøer. Vi er meget glade for, at vi har udviklet et sådant robust og påkrævet omkonfigurérbart kollektiv. Vi ser vores forskning som en skitse for fremtidige biomedicinske anvendelser, minimalt invasive behandlinger eller miljømæssig renovation,” siger Metin Sitti.