I ricercatori sviluppano collettivi di microrobot che si muovono in formazioni desiderate

Un team di ricercatori di varie istituzioni, tra cui il Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), la Cornell University e la Shanghai Jiao Tong University, ha sviluppato collettivi di microrobot che possono muoversi in qualsiasi formazione desiderata.

La ricerca è stata guidata da Gaurav Gardi e dal prof. Metin Sitti dell’MPI-IS, Steven Ceron e dal prof. Kirstin Peterson della Cornell, e dal prof. Wendong Wang della Shanghai Jiao Tong University.

La ricerca, intitolata “Collettivi di microrobot con morfologie, comportamenti e funzioni riorganizzabili“, è stata pubblicata su Nature Communications.

Riconfigurazione delle particelle miniature

Le particelle miniature sono in grado di riconfigurare il comportamento dello sciame molto rapidamente. Quando galleggiano sulla superficie dell’acqua, i dischi microrobotici possono muoversi in cerchio, ballare intorno, diffondersi come gas, riunirsi o formare una linea retta.

Ogni robot individuale è leggermente più grande della larghezza di un capello umano e sono stati stampati in 3D utilizzando un polimero prima di essere rivestiti con uno strato sottile di cobalto. Il metallo conferisce ai microrobot la capacità di diventare miniature magnetiche, mentre le bobine di filo creano un campo magnetico quando l’elettricità scorre attraverso di esse. Questo campo magnetico consente alle particelle di essere mosse con precisione intorno a un pool di acqua largo un centimetro.

Un esempio impressionante di ciò è quando i robot formano una linea, che i ricercatori possono poi muovere per “scrivere” lettere nell’acqua.

Lo sviluppo della robotica dello sciame è influenzato dal comportamento collettivo e dai modelli di sciame presenti in natura, come un gruppo di uccelli. L’implementazione del comportamento dello sciame nella robotica ha guadagnato popolarità recentemente.

Tuttavia, quando la particella singola è troppo piccola per la computazione, o un robot è largo solo 300 micrometri, non può essere programmato con un algoritmo. Per compensare questo, i ricercatori devono affidarsi a tre diverse forze. La prima è la forza magnetica, che si verifica quando due magneti con poli opposti si attraggono o due poli identici si respingono a vicenda.

La seconda forza è l’ambiente fluido, o l’acqua intorno ai dischi. Ciò può essere visto quando le particelle nuotano in un vortice di acqua, che risulta nello spostamento dell’acqua e nella modifica delle altre particelle circostanti. La velocità del vortice e la magnetitudine determinano come le particelle interagiscono.

La terza forza coinvolge due particelle che galleggiano una accanto all’altra, che spesso risultano nel loro allontanarsi l’una dall’altra. La superficie dell’acqua è curva in un modo che le fa avvicinare.

Guidare i robot

I ricercatori hanno utilizzato tutte e tre queste forze per creare un modello di movimento collettivo e coordinato per dozzine di microrobot come un sistema unico. Gli scienziati possono guidare i robot attraverso un percorso di ostacoli mentre visualizzano la formazione che meglio si adatta a un determinato ostacolo. Ad esempio, i microrobot si allineano in un’unica fila per passare attraverso un passaggio stretto.

I robot possono raggiungere diversi modi di locomozione e formazioni, che vengono raggiunti attraverso calcoli esterni. Un algoritmo viene programmato per creare un campo magnetico, che ruota o oscilla, e questo attiva il movimento desiderato dei robot.

Gaurav Gardi è uno studente di dottorato nel dipartimento di Intelligenza Fisica dell’MPI-IS. È uno degli autori principali dello studio insieme a Steven Ceron.

“A seconda di come cambiamo i campi magnetici, i dischi si comportano in modo diverso”, dice Gaurav Gardi. “Stiamo regolando una forza e poi un’altra fino a quando non otteniamo il movimento che vogliamo. Se ruotiamo il campo magnetico all’interno delle bobine troppo vigorosamente, la forza che causa il movimento dell’acqua è troppo forte e i dischi si allontanano l’uno dall’altro. Se ruotiamo troppo lentamente, allora l’effetto cheerio che attrae le particelle è troppo forte. Dobbiamo trovare l’equilibrio tra le tre.”

I ricercatori nel settore stanno anche lavorando per rendere questi tipi di collettivi di microrobot ancora più piccoli.

“La nostra visione è quella di sviluppare un sistema che sia ancora più piccolo, composto da particelle grandi solo un micrometro. Questi collettivi potrebbero potenzialmente entrare nel corpo umano e navigare attraverso ambienti complessi per consegnare farmaci, ad esempio, per bloccare o sbloccare passaggi, o per stimolare un’area difficile da raggiungere”, dice Gardi.

Metin Sitti guida il dipartimento di Intelligenza Fisica.

“I collettivi di robot con transizioni robuste tra comportamenti di locomozione sono molto rari. Tuttavia, tali sistemi versatili sono vantaggiosi per operare in ambienti complessi. Siamo molto felici di aver sviluppato un collettivo così robusto e riorganizzabile su richiesta. Vediamo la nostra ricerca come un modello per future applicazioni biomediche, trattamenti minimamente invasivi o bonifiche ambientali”, dice Metin Sitti.