Forskere utvikler kollektiver av mikroroboter som kan bevege seg i ønskede formasjoner

Et team av forskere fra ulike institusjoner, inkludert Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University og Shanghai Jiao Tong University, har utviklet kollektiver av mikroroboter som kan bevege seg i enhver ønsket formasjon.

Forskningen ble ledet av Gaurav Gardi og professor Metin Sitti fra MPI-IS, Steven Ceron og professor Kirstin Peterson fra Cornell, og professor Wendong Wang fra Shanghai Jiao Tong University.

Forskningen med tittelen ”Mikrorobot-kollektiver med omkonfigurerbare morfologier, atferd og funksjoner” ble publisert i Nature Communications.

Omkonfigurasjon av miniaturepartiklene

De miniaturepartiklene kan omkonfigurere sværmeatferden svært raskt. Når de flyter på overflaten av vann, kan mikrorobotiske skiver bevege seg i sirkler, danse rundt, spre seg ut som gass, samle seg eller danne en rett linje.

Hver enkelt robot er litt større enn bredden av et menneskehår, og de er 3D-trykket ved hjelp av en polymer før de blir belagt med et tynnt topplag av kobolt. Metallen gir mikrorobotene evnen til å bli miniature-magnetiske, mens wire-coils skaper et magnetisk felt når elektrisitet flyter gjennom dem. Dette magnetiske felt gjør det mulig for partiklene å bli nøyaktig flyttet rundt i en en centimeter bred vannpool.

Et imponerende eksempel på dette er når robotene danner en linje, som forskerne kan flytte rundt for å ”skrive” ut bokstaver i vannet.

Utviklingen av sværmerobotikk er influert av kollektiv atferd og sværme-mønster i naturen, som en flokk fugler. Implementeringen av sværmeatferd i robotikk har eksplodert i popularitet nylig.

Men når den enkelte partikkelen er for liten til å kunne beregnes, eller en robot bare er 300 mikrometer bred, kan den ikke programmeres med en algoritme. For å kompensere for dette, må forskerne stole på tre forskjellige krefter. Den første er magnetisk kraft, som oppstår når to magneter med motsatte poler trekker til eller to like poler støter fra hverandre.

Den andre kraften er den fluide omgivelsen, eller vannet rundt skivene. Dette kan sees når partikler svømmer i en virvel av vann, som resulterer i at vannet blir forflyttet og endringen av andre omgivende partikler. Farten på virvelen og magnetfeltet bestemmer hvordan partiklene samhandler.

Den tredje kraften involverer to partikler som flyter ved siden av hverandre, som ofte resulterer i at de driver mot hverandre. Vannoverflaten er bøyd på en måte som gjør at de kommer sammen.

Styring av robotene

Forskerne brukte alle disse tre kreftene til å skape en kollektiv og koordinert bevegelsesmønster for dusinvis av mikroroboter som ett system. Vitenskapsmennene kan styre robotene gjennom en parkour mens de viser formasjonen som best passer en gitt hindring. For eksempel vil mikrorobotene danne en enkelt fil for å komme gjennom en smal passage.

Robotene kan oppnå flere forskjellige bevegelsesmønster og formasjoner, som oppnås gjennom ekstern beregning. En algoritme er programmert for å skape et magnetisk felt, enten roterende eller svingende, og dette utløser den ønskede bevegelsen av robotene.

Gaurav Gardi er en ph.d.-student i avdelingen for fysisk intelligens ved MPI-IS. Han er en av hovedforfatterne av studien sammen med Steven Ceron.

“Avhengig av hvordan vi endrer magnetfeltene, oppfører skivene seg på en annen måte,” sier Gaurav Gardi. “Vi justerer en kraft og deretter en annen til vi får bevegelsen vi ønsker. Hvis vi roterer magnetfeltet innenfor coilene for raskt, er kraften som får vannet til å bevege seg for sterk og skivene flytter seg vekk fra hverandre. Hvis vi roterer for langsomt, er cheerio-effekten som trekker partiklene til seg for sterk. Vi må finne balansen mellom de tre.”

Forskere på feltet arbeider også med å gjøre disse typene mikrorobot-kollektiver enda mindre.

“Vårt mål er å utvikle et system som er enda mindre, bestående av partikler bare en mikrometer store. Disse kollektivene kunne potensielt gå inn i menneskekroppen og navigere gjennom komplekse miljøer for å levere medisiner, for eksempel, for å blokkere eller åpne passasjer, eller for å stimulere et hardt tilgjengelig område,” sier Gardi.

Metin Sitti leder avdelingen for fysisk intelligens.

“Robot-kollektiver med robuste overganger mellom bevegelsesatferd er svært sjeldne. Likevel er slike fleksible systemer gunstige for å operere i komplekse miljøer. Vi er svært glade for at vi lyktes i å utvikle et så robust og på-demand omkonfigurerbart kollektiv. Vi ser vår forskning som en mal for fremtidige biomedisinske anvendelser, minimalt invasiv behandling eller miljø-beredskap,” sier Metin Sitti.