Investigadores Desarrollan Colectivos de Microrrobots que se Mueven en Formaciones Deseadas

Un equipo de investigadores de varias instituciones, incluyendo el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS), la Universidad de Cornell y la Universidad Jiao Tong de Shanghái, han desarrollado colectivos de microrrobots que pueden moverse en cualquier formación deseada.

La investigación fue liderada por Gaurav Gardi y el profesor Metin Sitti del MPI-IS, Steven Ceron y el profesor Kirstin Peterson de Cornell, y el profesor Wendong Wang de la Universidad Jiao Tong de Shanghái.

La investigación titulada “Colectivos de Microrrobots con Morfologías, Comportamientos y Funciones Reconfigurables” se publicó en Nature Communications.

Reconfigurando las Partículas Miniatura

Las partículas miniatura pueden reconfigurar el comportamiento de la bandada muy rápidamente. Cuando flotan en la superficie del agua, los discos microrrobóticos pueden moverse en círculos, bailar alrededor, esparcirse como gas, juntarse o formar una línea recta.

Cada robot individual es un poco más grande que el ancho de un cabello humano, y se imprimen en 3D utilizando un polímero antes de ser cubiertos con una capa delgada de cobalto. El metal da a los microrrobots la capacidad de convertirse en imanes miniatura, mientras que las bobinas de alambre crean un campo magnético cuando fluye la electricidad a través de ellas. Este campo magnético permite que las partículas se muevan con precisión alrededor de un charco de agua de un centímetro de ancho.

Un ejemplo impresionante de esto es cuando los robots forman una línea, que los investigadores pueden mover alrededor para “escribir” letras en el agua.

El desarrollo de la robótica en bandada se ve influenciado por el comportamiento colectivo y los patrones de bandada en la naturaleza, como una bandada de pájaros. La implementación del comportamiento de bandada en la robótica ha explotado en popularidad recientemente.

Sin embargo, cuando la partícula individual es demasiado pequeña para la computación, o un robot tiene solo 300 micrómetros de ancho, no se puede programar con un algoritmo. Para compensar esto, los investigadores deben confiar en tres fuerzas diferentes. La primera es la fuerza magnética, que ocurre cuando dos imanes con polos opuestos se atraen o dos polos idénticos se repelen entre sí.

La segunda fuerza es el entorno fluido, o el agua que rodea los discos. Esto se puede ver cuando las partículas nadan en un remolino de agua, lo que resulta en que el agua se desplace y la alteración de otras partículas circundantes. La velocidad del remolino y la magnitud determinan cómo interactúan las partículas.

La tercera fuerza implica dos partículas que flotan una al lado de la otra, lo que a menudo resulta en que se desplazan hacia cada una. La superficie del agua se curva de una manera que las hace juntarse.

Direccionando los Robots

Los investigadores utilizaron las tres fuerzas para crear un patrón de movimiento colectivo y coordinado para docenas de microrrobots como un sistema. Los científicos pueden dirigir los robots a través de un obstáculo mientras muestran la formación que mejor se adapta a un obstáculo determinado. Por ejemplo, los microrrobots se alinean en una sola fila para pasar por un pasaje estrecho.

Los robots pueden lograr varios modos de locomoción y formaciones diferentes, lo que se logra a través de la computación externa. Un algoritmo se programa para crear un campo magnético, ya sea rotativo u oscilante, y esto desencadena el movimiento deseado de los robots.

Gaurav Gardi es un estudiante de doctorado en el Departamento de Inteligencia Física del MPI-IS. Es uno de los autores principales del estudio junto con Steven Ceron.

“Dependiendo de cómo cambiamos los campos magnéticos, los discos se comportan de manera diferente”, dice Gaurav Gardi. “Estamos ajustando una fuerza y luego otra hasta que obtenemos el movimiento que queremos. Si rotamos el campo magnético dentro de las bobinas demasiado vigorosamente, la fuerza que hace que el agua se mueva alrededor es demasiado fuerte y los discos se alejan entre sí. Si rotamos demasiado lento, entonces el efecto de la cheerio que atrae a las partículas es demasiado fuerte. Necesitamos encontrar el equilibrio entre las tres”.

Los investigadores en el campo también están trabajando para hacer que estos colectivos de microrrobots sean aún más pequeños.

“Nuestra visión es desarrollar un sistema que sea aún más pequeño, hecho de partículas de solo un micrómetro de tamaño. Estos colectivos podrían potencialmente entrar en el cuerpo humano y navegar a través de entornos complejos para entregar medicamentos, por ejemplo, para bloquear o desbloquear pasajes, o para estimular un área de difícil acceso”, dice Gardi.

Metin Sitti lidera el Departamento de Inteligencia Física.

“Los colectivos de robots con transiciones robustas entre comportamientos de locomoción son muy raros. Sin embargo, tales sistemas versátiles son ventajosos para operar en entornos complejos. Estamos muy contentos de haber desarrollado un colectivo reconfigurable y a demanda tan robusto. Vemos nuestra investigación como un plan para futuras aplicaciones biomédicas, tratamientos mínimamente invasivos o remediación ambiental”, dice Metin Sitti.