研究者が開発したミクロロボットの集団が任意の形状で動く

マックス・プランク・インテリジェント・システム研究所（MPI-IS）、コーネル大学、上海交通大学などの研究者チームが、任意の形状で動くミクロロボットの集団を開発しました。

この研究は、MPI-ISのガウラブ・ガルディとメティン・シッティ教授、コーネルのスティーブン・セロンとキルスティン・ピーターソン教授、上海交通大学のウェンドン・ワン教授によって率いられました。

研究論文「再構成可能な形態、動作、機能を持つミクロロボットの集団」は、ネイチャー・コミュニケーションズに掲載されました。

ミニチュア粒子の再構成

ミニチュア粒子は、集団の動作を非常に迅速に再構成できます。水面に浮かべると、ミクロロボットの円盤は円を描く、ダンスする、ガス状に広がる、まとまる、または一直線に並ぶことができます。

各ロボットは、人間の髪の幅よりも少し大きく、3Dプリンティングでポリマーで作られ、コバルトの薄い上層でコーティングされています。金属は、ミクロロボットにミニチュア磁石としての能力を与え、ワイヤーのコイルは電流が流れると磁場を生成します。この磁場により、粒子は1センチメートル幅の水のプールの中で正確に動かすことができます。

印象的な例は、ロボットが一直線に並ぶときです。研究者は、この線を動かして水の中に文字を「書く」ことができます。

スウォームロボティクスの開発は、自然界の集団行動やスウォームパターン、例えば鳥の群れに影響を受けています。ロボティクスのスウォーム動作の実装は最近人気を博しています。

しかし、単一の粒子が計算機で処理するには小さすぎる場合、またはロボットの幅が300マイクロメートルしかない場合、アルゴリズムをプログラムすることはできません。代わりに、研究者は3つの異なる力を利用する必要があります。最初の力は磁力で、2つの磁石が反対の極で引き付けかたり、同じ極で反発します。

2番目の力は、円盤の周囲の流体環境、つまり水です。これは、粒子が水の中を泳いでいるときに水が変化し、他の粒子が影響を受けることがあります。渦の速度と磁気の強さが粒子の相互作用を決定します。

3番目の力は、2つの粒子が隣接して浮いているときに発生します。これは、粒子が互いに漂い、水面が曲がり、粒子が互いに近づくことがあります。

ロボットの操縦

研究者は、これらの3つの力を利用して、数十個のミクロロボットの集団を1つのシステムとして動かすことができます。科学者は、ロボットをパークールのように動かして、特定の障害物に対して最適な形状を示すことができます。例えば、ロボットは狭い通路を通過するために一直線に並びます。

ロボットは、外部の計算によって、さまざまな移動モードや形状を実現できます。アルゴリズムは、回転または振動する磁場を生成するようにプログラムされており、これがロボットの動きを誘発します。

ガウラブ・ガルディは、MPI-ISの物理インテリジェンス部門の博士課程の学生です。スティーブン・セロンとともに、この研究の共同第一著者です。

「磁場を変えると、円盤の動きが変わる」とガウラブ・ガルディは述べています。「1つの力を調整して、次に別の力を調整して、目的の動きを得る必要があります。コイルの中で磁場を回転させすぎると、水を動かす力が強すぎて、円盤が離れます。回転が遅すぎると、粒子を引き付ける力が強すぎます。3つの力のバランスを取る必要があります。」

この分野の研究者は、これらのミクロロボットの集団をさらに小さくすることを目指しています。

「私たちの目標は、1マイクロメートルの小さな粒子で構成される、さらに小さなシステムを開発することです。これらの集団は、人間の体内に入り、複雑な環境を移動して、薬物を届けたり、塞がった通路を開けたり、遠隔地を刺激したりすることができます」とガルディは述べています。

メティン・シッティは、物理インテリジェンス部門の責任者です。

「ロボットの集団が、移動の動作を強固に切り替えることは非常にまれです。しかし、そんな汎用的なシステムは、複雑な環境で動作するために有利です。私たちは、強固でオンデマンドの再構成可能な集団を開発できたことを嬉しく思います。私たちの研究は、将来的に、生物医学的な応用、最小侵襲治療、環境の修復などに役立つことを期待しています」とメティン・シッティは述べています。