Naukowcy opracowali kolektywy mikrorobotów, które poruszają się w pożądanych formacjach

Zespół naukowców z różnych instytucji, w tym Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University i Shanghai Jiao Tong University, opracował kolektywy mikrorobotów, które mogą poruszać się w dowolnej pożądanej formacji.

Badania były prowadzone przez Gaurava Gardi i prof. Metina Sittiego z MPI-IS, Stevena Ceron i prof. Kirstin Peterson z Cornell, oraz prof. Wendonga Wang z Shanghai Jiao Tong University.

Badanie zatytułowane „Mikrorobotyczne kolektywy z rekonfigurowalnymi morfologiami, zachowaniami i funkcjami” zostało opublikowane w Nature Communications.

Ponowna konfiguracja cząstek

Cząstki te są w stanie bardzo szybko zmienić zachowanie stadne. Unosząc się na powierzchni wody, mikrorobotyczne dyski mogą poruszać się w kółko, tańczyć, rozprzestrzeniać się jak gaz, łączyć się w pary lub tworzyć prostą linię.

Każdy pojedynczy robot jest nieco większy niż szerokość ludzkiego włosa, a wykonane są one przy użyciu polimeru, a następnie pokrywane cienką warstwą kobaltu. Metal daje mikrorobotom możliwość stania się miniaturowymi magnesami, podczas gdy cewki tworzą pole magnetyczne, gdy przepływa przez nie prąd. To pole magnetyczne umożliwia precyzyjne poruszanie się cząstek w basenie wody o szerokości jednego centymetra.

Impresjonującym przykładem jest tworzenie linii przez roboty, którą naukowcy mogą następnie poruszać, aby „napisać” litery w wodzie.

Rozwój robotyki stadnej jest wpływany przez zbiorowe zachowania i wzorce stadne w naturze, takie jak stado ptaków. Wdrożenie zachowania stadnego w robotyce stało się ostatnio bardzo popularne.

Jednak gdy pojedyncza cząstka jest zbyt mała, aby mogła być zaprogramowana, lub gdy robot jest tylko 300 mikrometrów szeroki, nie może być zaprogramowany za pomocą algorytmu. Aby to zrekompensować, naukowcy muszą polegać na trzech różnych siłach. Pierwszą siłą jest siła magnetyczna, która występuje, gdy dwa magnesy z przeciwnymi biegunami przyciągają się lub gdy dwa identyczne bieguny odpychają się.

Drugą siłą jest środowisko płynne, czyli woda wokół dysków. Można to zaobserwować, gdy cząstki pływają w wirze wody, co powoduje przesunięcie wody i zmianę innych sąsiadujących cząstek. Prędkość wiru i natężenie pola magnetycznego określają, w jaki sposób cząstki wzajemnie oddziałują.

Trzecią siłą jest oddziaływanie dwóch cząstek unoszących się obok siebie, co często powoduje, że unoszą się one w kierunku siebie. Powierzchnia wody jest zgięta w taki sposób, że powoduje, iż unoszą się one ku sobie.

Sterowanie robotami

Naukowcy wykorzystali wszystkie trzy siły, aby stworzyć kolektywne i skoordynowane wzorce ruchu dla dziesiątek mikrorobotów jako jeden system. Naukowcy mogą sterować robotami, prowadząc je przez parkour, wyświetlając formację, która najlepiej nadaje się do danego przeszkody. Na przykład mikroroboty ustawiają się w jednej linii, aby przejść przez wąski przejście.

Roboty mogą osiągnąć wiele różnych trybów ruchu i formacji, co jest osiągane za pomocą obliczeń zewnętrznych. Algorytm jest zaprogramowany w celu utworzenia pola magnetycznego, którym może być pole magnetyczne, które obraca się lub drga, co wyzwala pożądany ruch robotów.

Gaurav Gardi jest doktorantem w dziale Inteligencji Fizycznej w MPI-IS. Jest on jednym z głównych autorów badania wraz ze Stevenem Ceronem.

“W zależności od tego, jak zmieniamy pole magnetyczne, dyski zachowują się inaczej”, mówi Gaurav Gardi. „Nastawiamy jedną siłę, a następnie inną, aż uzyskamy ruch, jaki chcemy. Jeśli obracamy pole magnetyczne w cewkach zbyt gwałtownie, siła, która powoduje ruch wody, jest zbyt silna, a dyski oddalają się od siebie. Jeśli obracamy zbyt wolno, efekt cheerio, który przyciąga cząstki, jest zbyt silny. Musimy znaleźć równowagę między trzema.”

Naukowcy w tej dziedzinie pracują również nad tym, aby te mikrorobotyczne kolektywy były jeszcze mniejsze.

“Naszą wizją jest stworzenie systemu, który jest jeszcze mniejszy, zbudowany z cząstek o wielkości tylko jednego mikrometra. Te kolektywy mogą potencjalnie wejść do ludzkiego ciała i nawigować przez złożone środowiska, aby dostarczyć leki, na przykład, aby zablokować lub odblokować przejścia, lub aby stymulować trudno dostępne obszary”, mówi Gardi.

Metin Sitti kieruje departamentem Inteligencji Fizycznej.

“Kolektywy robotów z wytrzymałymi przejściami między zachowaniami ruchowymi są bardzo rzadkie. Jednak takie wszechstronne systemy są korzystne do pracy w złożonych środowiskach. Jesteśmy bardzo zadowoleni, że udało nam się opracować tak wytrzymałe i na żądanie rekonfigurowalne kolektywy. Widzimy nasze badania jako plan dla przyszłych zastosowań biomedycznych, minimalnie inwazyjnych leczeń lub remediacji środowiskowej”, mówi Metin Sitti.