Forscher entwickeln Kollektive von Mikrorobotern, die in gewünschten Formationen bewegen

Ein Team von Forschern aus verschiedenen Institutionen, darunter das Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS), der Cornell-Universität und der Shanghai-Jiao-Tong-Universität, hat Kollektive von Mikrorobotern entwickelt, die sich in beliebigen Formationen bewegen können.

Die Forschung wurde von Gaurav Gardi und Prof. Metin Sitti vom MPI-IS, Steven Ceron und Prof. Kirstin Peterson von Cornell sowie Prof. Wendong Wang von der Shanghai-Jiao-Tong-Universität geleitet.

Die Forschung mit dem Titel „Mikroroboter-Kollektive mit rekonfigurierbaren Morphologien, Verhaltensweisen und Funktionen“ wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Rekonfigurierung der Miniaturpartikel

Die Miniaturpartikel können das Schwarmverhalten sehr schnell rekonfigurieren. Wenn sie auf der Oberfläche von Wasser schwimmen, können die mikrorobotischen Scheiben in Kreisen bewegen, umher tanzen, sich wie Gas verteilen, zusammenballen oder eine gerade Linie bilden.

Jeder einzelne Roboter ist etwas größer als die Breite eines menschlichen Haares und wird durch 3D-Drucken aus einem Polymer hergestellt, bevor er mit einer dünnen oberen Schicht aus Kobalt überzogen wird. Das Metall gibt den Mikrorobotern die Fähigkeit, zu miniaturisierten Magneten zu werden, während Drahtspulen ein magnetisches Feld erzeugen, wenn Strom durch sie fließt. Dieses magnetische Feld ermöglicht es den Partikeln, präzise in einem einen Zentimeter breiten Wasserpool bewegt zu werden.

Ein beeindruckendes Beispiel dafür ist, wenn die Roboter eine Linie bilden, die die Forscher dann bewegen können, um „Buchstaben“ im Wasser zu „schreiben“.

Die Entwicklung der Schwarmrobotik wird von kollektivem Verhalten und Schwarmmustern in der Natur beeinflusst, wie z.B. einem Vogelschwarm. Die Implementierung von Schwarmverhalten in der Robotik hat in letzter Zeit an Popularität gewonnen.

Allerdings kann, wenn die einzelne Partikel zu klein für die Rechnung ist oder ein Roboter nur 300 Mikrometer breit ist, kein Algorithmus programmiert werden. Um dies auszugleichen, müssen die Forscher auf drei verschiedene Kräfte zurückgreifen. Die erste ist die magnetische Kraft, die auftritt, wenn zwei Magnete mit entgegengesetzten Polen anziehen oder zwei identische Pole abstoßen.

Die zweite Kraft ist die Flüssigkeitsumgebung oder das Wasser um die Scheiben. Dies kann beobachtet werden, wenn Partikel in einem Wasserwirbel schwimmen, was dazu führt, dass das Wasser verdrängt wird und die Umgebung anderer Partikel verändert. Die Geschwindigkeit des Wirbels und die Magnetfeldstärke bestimmen, wie die Partikel interagieren.

Die dritte Kraft beinhaltet zwei Partikel, die nebeneinander schwimmen, was oft dazu führt, dass sie aufeinander zu treiben. Die Wasseroberfläche ist so gebogen, dass sie zusammenkommen.

Steuerung der Roboter

Die Forscher haben alle drei Kräfte verwendet, um ein kollektives und koordiniertes Bewegungsmuster für Dutzende von Mikrorobotern als ein System zu erstellen. Die Wissenschaftler können die Roboter durch einen Hindernisparcours steuern und die Formation anzeigen, die am besten zu einem bestimmten Hindernis passt. Zum Beispiel bilden die Mikroroboter eine einzige Reihe, um durch einen engen Durchgang zu gelangen.

Die Roboter können mehrere verschiedene Bewegungsmodi und Formationen erreichen, die durch externe Rechnung erreicht werden. Ein Algorithmus wird programmiert, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das entweder rotiert oder oszilliert, und dies löst die gewünschte Bewegung der Roboter aus.

Gaurav Gardi ist ein Doktorand im Bereich Physical Intelligence am MPI-IS. Er ist einer der Hauptautoren der Studie zusammen mit Steven Ceron.

“Je nachdem, wie wir die magnetischen Felder ändern, verhalten sich die Scheiben anders”, sagt Gaurav Gardi. “Wir stimmen eine Kraft und dann eine andere ab, bis wir die Bewegung erhalten, die wir wollen. Wenn wir das magnetische Feld in den Spulen zu stark rotieren, ist die Kraft, die das Wasser bewegt, zu stark und die Scheiben bewegen sich voneinander weg. Wenn wir zu langsam rotieren, ist der Effekt, der die Partikel anzieht, zu stark. Wir müssen den Balancepunkt zwischen den drei Kräften finden.”

Forscher auf diesem Gebiet arbeiten auch daran, diese Art von mikrorobotischen Kollektiven noch kleiner zu machen.

“Unser Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das noch kleiner ist und aus Partikeln besteht, die nur einen Mikrometer groß sind. Diese Kollektive könnten potenziell in den menschlichen Körper eindringen und komplexe Umgebungen navigieren, um Medikamente zu liefern, zum Beispiel, um Blockaden zu beseitigen oder zu stimulieren, oder um schwer zugängliche Bereiche zu erreichen”, sagt Gardi.

Metin Sitti leitet die Abteilung Physical Intelligence.

“Roboter-Kollektive mit robusten Übergängen zwischen Bewegungsverhaltensweisen sind sehr selten. Solche vielseitigen Systeme sind jedoch vorteilhaft, um in komplexen Umgebungen zu operieren. Wir sind sehr zufrieden, dass wir es geschafft haben, ein so robustes und auf Abruf rekonfigurierbares Kollektiv zu entwickeln. Wir sehen unsere Forschung als Blaupause für zukünftige biomedizinische Anwendungen, minimalinvasive Behandlungen oder Umweltsanierungen”, sagt Metin Sitti.