Les chercheurs développent des collectifs de microrobots qui se déplacent dans des formations désirées

Une équipe de chercheurs de diverses institutions, notamment l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS), l’Université Cornell et l’Université Jiao Tong de Shanghai, ont développé des collectifs de microrobots qui peuvent se déplacer dans n’importe quelle formation désirée.

La recherche a été menée par Gaurav Gardi et le professeur Metin Sitti de l’MPI-IS, Steven Ceron et le professeur Kirstin Peterson de Cornell, et le professeur Wendong Wang de l’Université Jiao Tong de Shanghai.

La recherche intitulée “Collectifs de microrobots avec morphologies, comportements et fonctions reconfigurables” a été publiée dans Nature Communications.

Reconfigurer les particules miniatures

Les particules miniatures sont capables de reconfigurer le comportement de l’essaim très rapidement. Lorsqu’elles flottent sur la surface de l’eau, les disques microrobotiques peuvent se déplacer en cercles, danser, s’étendre comme un gaz, se regrouper ou former une ligne droite.

Chaque robot individuel est un peu plus grand que la largeur d’un cheveu humain, et ils sont imprimés en 3D à l’aide d’un polymère avant d’être recouverts d’une fine couche de cobalt. Le métal donne aux microrobots la capacité de devenir des miniatures magnétiques, tandis que les bobines créent un champ magnétique lorsque l’électricité les traverse. Ce champ magnétique permet aux particules d’être déplacées avec précision dans un bassin d’eau d’un centimètre de large.

Un exemple impressionnant de cela est lorsque les robots forment une ligne, que les chercheurs peuvent ensuite déplacer pour « écrire » des lettres dans l’eau.

Le développement de la robotique en essaim est influencé par le comportement collectif et les modèles d’essaim de la nature, tels qu’un vol d’oiseaux. La mise en œuvre du comportement d’essaim de la robotique a explosé en popularité récemment.

Cependant, lorsque la particule individuelle est trop petite pour la computation, ou qu’un robot n’est que de 300 micromètres de large, il ne peut pas être programmé avec un algorithme. Pour compenser cela, les chercheurs doivent s’appuyer sur trois forces différentes. La première est la force magnétique, qui se produit lorsque deux aimants avec des pôles opposés s’attirent ou que deux pôles identiques se repoussent.

La deuxième force est l’environnement fluide, ou l’eau qui entoure les disques. Cela peut être vu lorsque les particules nagent dans un tourbillon d’eau, ce qui entraîne le déplacement de l’eau et la modification des particules environnantes. La vitesse du tourbillon et la magnitude déterminent la façon dont les particules interagissent.

La troisième force implique deux particules qui flottent côte à côte, ce qui entraîne souvent leur dérive les unes vers les autres. La surface de l’eau est courbée de manière à les faire se rapprocher.

Piloter les robots

Les chercheurs ont utilisé ces trois forces pour créer un modèle de mouvement collectif et coordonné pour des dizaines de microrobots en tant que système unique. Les scientifiques peuvent piloter les robots à travers un parcours d’obstacles tout en affichant la formation qui convient le mieux à un obstacle donné. Par exemple, les microrobots formeront une file unique pour passer à travers un passage étroit.

Les robots peuvent atteindre plusieurs modes de locomotion et de formation différents, ce qui est réalisé grâce à une computation externe. Un algorithme est programmé pour créer un champ magnétique, soit en rotation, soit en oscillation, et cela déclenche le mouvement désiré des robots.

Gaurav Gardi est un étudiant en doctorat au département de l’intelligence physique de l’MPI-IS. Il est l’un des principaux auteurs de l’étude, aux côtés de Steven Ceron.

“Selon la façon dont nous changeons les champs magnétiques, les disques se comportent de manière différente”, déclare Gaurav Gardi. “Nous réglons une force, puis une autre, jusqu’à obtenir le mouvement que nous voulons. Si nous faisons tourner le champ magnétique dans les bobines trop vigoureusement, la force qui fait bouger l’eau est trop forte et les disques s’éloignent les uns des autres. Si nous le faisons tourner trop lentement, l’effet de cheerio qui attire les particules est trop fort. Nous devons trouver l’équilibre entre les trois.”

Les chercheurs dans le domaine travaillent également à rendre ces types de collectifs de microrobots encore plus petits.

“Notre vision est de développer un système qui soit encore plus petit, composé de particules d’un micromètre seulement. Ces collectifs pourraient potentiellement pénétrer dans le corps humain et naviguer à travers des environnements complexes pour délivrer des médicaments, par exemple, pour bloquer ou débloquer des passages, ou pour stimuler une zone difficile d’accès”, déclare Gardi.

Metin Sitti dirige le département de l’intelligence physique.

“Les collectifs de robots avec des transitions robustes entre les comportements de locomotion sont très rares. Cependant, de tels systèmes polyvalents sont avantageux pour opérer dans des environnements complexes. Nous sommes très heureux d’avoir réussi à développer un collectif robuste et reconfigurable à la demande. Nous considérons notre recherche comme un plan directeur pour les applications biomédicales futures, les traitements mini-invasifs ou la réhabilitation de l’environnement”, déclare Metin Sitti.