Onderzoekers ontwikkelen collectieven van microrobots die in gewenste formaties bewegen

Een team van onderzoekers van verschillende instellingen, waaronder het Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University en Shanghai Jiao Tong University, hebben collectieven van microrobots ontwikkeld die in elke gewenste formatie kunnen bewegen.

Het onderzoek werd geleid door Gaurav Gardi en prof. Metin Sitti van MPI-IS, Steven Ceron en prof. Kirstin Peterson van Cornell, en prof. Wendong Wang van Shanghai Jiao Tong University.

Het onderzoek met de titel “Microrobot Collectives with Reconfigurable Morphologies, Behaviors, and Functions” werd gepubliceerd in Nature Communications.

De miniature partikels herconfigureren

De miniature partikels kunnen het zwermgedrag zeer snel herconfigureren. Wanneer ze op het wateroppervlak drijven, kunnen de microrobotische schijven in cirkels bewegen, rond dansen, zich als gas verspreiden, bijeenkomen of een rechte lijn vormen.

Elke individuele robot is iets groter dan de breedte van een mensenhaar en wordt met 3D-printing gemaakt van een polymeer voordat het wordt bedekt met een dunne bovenlaag van kobalt. Het metaal geeft de microrobots de mogelijkheid om miniature magneten te worden, terwijl spoelen een magnetisch veld creëren wanneer er stroom doorheen loopt. Dit magnetisch veld maakt het mogelijk om de partikels precies te bewegen in een wateroppervlak van één centimeter breed.

Een indrukwekkend voorbeeld hiervan is wanneer de robots een lijn vormen, die de onderzoekers vervolgens kunnen verplaatsen om “letters” in het water te “schrijven”.

De ontwikkeling van zwermrobotica wordt beïnvloed door collectief gedrag en zwerm patronen in de natuur, zoals een zwerm vogels. De implementatie van zwermgedrag in robotica is de afgelopen tijd in populariteit gestegen.

Echter, wanneer een enkel partikel te klein is voor berekening, of een robot slechts 300 micrometer breed is, kan het niet worden geprogrammeerd met een algoritme. Om dit te compenseren, moeten onderzoekers vertrouwen op drie verschillende krachten. De eerste is magnetische kracht, die optreedt wanneer twee magneten met tegenovergestelde polen elkaar aantrekken of twee identieke polen elkaar afstoten.

De tweede kracht is de vloeibare omgeving, of het water rondom de schijven. Dit kan worden gezien wanneer partikels in een waterwerveling zwemmen, waardoor het water wordt verplaatst en de omringende partikels worden veranderd. De snelheid van de werveling en de magnetische kracht bepalen hoe de partikels met elkaar omgaan.

De derde kracht houdt verband met twee partikels die naast elkaar drijven, wat vaak resulteert in het naar elkaar toe drijven. Het wateroppervlak is gebogen op een manier die ze bij elkaar brengt.

De robots sturen

De onderzoekers gebruikten alle drie deze krachten om een collectief en gecoördineerd patroon van beweging te creëren voor tientallen microrobots als één systeem. De wetenschappers kunnen de robots door een parkour leiden en de formatie weergeven die het beste past bij een bepaalde hindernis. Bijvoorbeeld, de microrobots zullen in een enkele rij lopen om door een smalle doorgang te gaan.

De robots kunnen verschillende locomotie-modi en formaties bereiken, wat wordt bereikt door externe berekening. Een algoritme wordt geprogrammeerd om een magnetisch veld te creëren, dat draait of oscilleert, en dit activeert de gewenste beweging van de robots.

Gaurav Gardi is een PhD-student in de afdeling Physical Intelligence van MPI-IS. Hij is een van de hoofdauteurs van de studie, samen met Steven Ceron.

“Afhankelijk van hoe we de magnetische velden veranderen, gedragen de schijven zich op een andere manier”, zegt Gaurav Gardi. “We zijn één kracht aan het afstemmen en dan een andere totdat we de beweging krijgen die we willen. Als we het magnetisch veld binnen de spoelen te krachtig roteren, is de kracht die het water doet bewegen te sterk en de schijven bewegen weg van elkaar. Als we te langzaam roteren, is de kracht die de partikels aantrekt te sterk. We moeten het evenwicht vinden tussen de drie.”

Onderzoekers in het veld werken ook aan het maken van deze soorten microrobotische collectieven nog kleiner.

“Onze visie is om een systeem te ontwikkelen dat nog kleiner is, gemaakt van partikels van slechts één micrometer groot. Deze collectieven zouden potentieel in het menselijk lichaam kunnen worden gebracht en door complexe omgevingen kunnen navigeren om medicijnen te leveren, bijvoorbeeld om passages te blokkeren of te deblokkeren, of om een moeilijk bereikbaar gebied te stimuleren”, zegt Gardi.

Metin Sitti leidt de afdeling Physical Intelligence.

“Robotcollectieven met robuuste overgangen tussen locomotiegedrag zijn zeer zeldzaam. Maar dergelijke veelzijdige systemen zijn gunstig om te opereren in complexe omgevingen. We zijn erg blij dat we erin geslaagd zijn om een dergelijk robuust en op vraag reconfigureerbaar collectief te ontwikkelen. We zien ons onderzoek als een blauwdruk voor toekomstige biomedische toepassingen, minimaal invasieve behandelingen of milieuremediatie”, zegt Metin Sitti.