연구진, 원하는 형태로 움직이는 마이크로 로봇 집단 개발

맥스 플랑크 지능 시스템 연구소(MPI-IS), 코넬 대학교, 상하이 교통 대학 등의 여러 기관의 연구진이 마이크로 로봇의 집단을 개발하였으며, 이 로봇들은 원하는 형태로 움직일 수 있습니다.

이 연구는 Gaurav Gardi와 Metin Sitti교수님께서 MPI-IS에서 주도하였으며, Steven Ceron과 Kirstin Peterson교수님께서 코넬 대학교에서, Wendong Wang교수님께서 상하이 교통 대학에서 참여하였습니다.

이 연구의 제목은 “재구성 가능한 형태, 행동 및 기능을 가진 마이크로 로봇 집단”이며, Nature Communications에 발표되었습니다.

미니어처 입자의 재구성

미니어처 입자는 매우 빠르게 군집 행동을 재구성할 수 있습니다. 물의 표면에서 부유할 때, 마이크로 로봇 디스크는 원을 그리며 움직일 수 있고, 춤을 추거나, 가스처럼 퍼져 나가거나, 한 줄로 정렬하거나, 직선으로 움직일 수 있습니다.

각각의 로봇은 인간의 머리카락 너비보다 약간 더 크며, 3D 프린팅을 사용하여 폴리머로 제작한 후 코발트의 얇은 층으로 코팅합니다. 금속은 마이크로 로봇에 미니어처 자석이 될 수 있는 능력을 제공하며, 와이어 코일은 전기が 흐를 때 자석 필드를 생성합니다. 이 자석 필드는 1cm 너비의 물 풀에서 입자를 정확하게 움직일 수 있게 합니다.

이것의 예는 로봇이 줄을 형성할 때이며, 연구진은 이 줄을 움직여 물에서 글자를 쓸 수 있습니다.

군집 로봇의 개발은 자연에서 볼 수 있는 집단 행동과 군집 패턴에 영향을 받습니다. 예를 들어, 새들의 무리입니다. 로봇의 군집 행동은 최근에 인기가 많아졌습니다.

그러나 단일 입자가 계산할 수 있는 크기보다 작거나, 로봇의 너비가 300 마이크로미터일 때, 알고리즘을 프로그래밍할 수 없습니다. 이를 보완하기 위해 연구진은 세 가지 힘을 사용해야 합니다. 첫 번째는 자석力的 힘이며, 두 개의 자석이 서로 반대되는 극을 가지고 있을 때 서로 끌리거나, 동일한 극을 가지고 있을 때 서로 밀어냅니다.

두 번째 힘은 유체 환경, 즉 디스크 주변의 물입니다. 이것은 물의 회전으로 인해 물이 변위되고 다른 입자들이 변경되는 것을 볼 수 있습니다. 회전의 속도와 자석의 세기가 입자들이 상호 작용하는 방식을 결정합니다.

세 번째 힘은 두 개의 입자가 서로 근접할 때 발생하며, thường적으로 서로 끌립니다. 물의 표면은 입자가 서로 가까이 있도록 구부러집니다.

로봇의 제어

연구진은 이 세 가지 힘을 사용하여 수십 개의 마이크로 로봇이 하나의 시스템으로 작동하는 집단적이고 조정된 운동 패턴을 생성했습니다. 과학자들은 로봇을障害물 주행에서 형태를 표시하면서 로봇을 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 로봇은 좁은 통로를 통과하기 위해 한 줄로 정렬합니다.

로봇은 여러 가지 다른 운동 모드와 형태를 달성할 수 있으며, 이는 외부 계산을 통해 달성됩니다. 알고리즘이 자석 필드를 생성하도록 프로그래밍되며, 이는 로봇의 원하는 운동을 트리거합니다.

Gaurav Gardi는 MPI-IS의 물리적 지능 부서에서 박사 과정 학생입니다. 그는 이 연구의 공동 저자입니다.

“자석 필드를 변경하는 방식에 따라 디스크가 다르게 행동합니다. 우리는 하나의 힘을 조정하고, 다음 힘을 조정하여 원하는 운동을 얻을 때까지 조정합니다. 자석 필드를 너무 강하게 회전하면 물을 움직이는 힘이 너무 강해져서 디스크가 서로 멀어집니다. 너무 느리게 회전하면 입자가 서로 끌리는 힘이 너무 강해져서 필요하지 않은 방향으로 움직입니다. 우리는 세 가지 힘 사이의 균형을 찾는 것이 중요합니다.”라고 Gaurav Gardi는 말합니다.

이 분야의 연구진은 이러한 마이크로 로봇 집단을 더 작게 만들기 위해 노력하고 있습니다.

“우리의 비전은 1 마이크로미터 크기만큼 작은 입자로 구성된 시스템을 개발하는 것입니다. 이러한 집단은 인간의 몸속으로 들어가 복잡한 환경을 탐색하여 약물을 전달하거나, 막힌 통로를 개방하거나, difficile한 영역을 자극할 수 있습니다.”라고 Gardi는 말합니다.

Metin Sitti는 물리적 지능 부서의 책임자입니다.

“로봇 집단은 강력한 전이와 함께 다양한 운동 행동을 가집니다. 그러나 이러한 가변적인 시스템은 복잡한 환경에서 작동하기에 유리합니다. 우리는 이러한 강력하고 필요에 따라 재구성 가능한 집단을 개발하는데 성공하여 기쁩니다. 우리는 우리의 연구가 미래의 생물의학적 응용, 최소 침습적 치료 또는 환경 복원에 대한 청사진이 될 것이라고 믿습니다.”라고 Metin Sitti는 말합니다.