Pesquisadores Desenvolvem Coletivos de Microrrobôs que se Movem em Formações Desejadas

Uma equipe de pesquisadores de várias instituições, incluindo o Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS), a Universidade Cornell e a Universidade Jiao Tong de Xangai, desenvolveu coletivos de microrrobôs que podem se mover em qualquer formação desejada.

A pesquisa foi liderada por Gaurav Gardi e Prof. Metin Sitti do MPI-IS, Steven Ceron e Prof. Kirstin Peterson da Cornell, e Prof. Wendong Wang da Universidade Jiao Tong de Xangai.

A pesquisa intitulada “Coletivos de Microrrobôs com Morfologias, Comportamentos e Funções Reconfiguráveis” foi publicada na Nature Communications.

Reconfigurando as Partículas Miniaturas

As partículas miniaturas são capazes de reconfigurar o comportamento da multidão muito rapidamente. Quando flutuam na superfície da água, os discos microrrobóticos podem se mover em círculos, dançar, se espalhar como gás, se reunir ou formar uma linha reta.

Cada robô individual é um pouco maior que a largura de um cabelo humano e é impresso em 3D usando um polímero antes de ser revestido com uma camada fina de cobalto. O metal dá aos microrrobôs a capacidade de se tornarem miniaturos magnéticos, enquanto bobinas criam um campo magnético quando a eletricidade flui através delas. Esse campo magnético permite que as partículas sejam movidas com precisão em torno de um pool de água de um centímetro de largura.

Um exemplo impressionante disso é quando os robôs formam uma linha, que os pesquisadores podem então mover para “escrever” letras na água.

O desenvolvimento da robótica em enxame é influenciado pelo comportamento coletivo e padrões de enxame na natureza, como um bando de pássaros. A implementação do comportamento de enxame de robótica explodiu em popularidade recentemente.

No entanto, quando a partícula individual é muito pequena para computação, ou um robô tem apenas 300 micrômetros de largura, não pode ser programado com um algoritmo. Para compensar isso, os pesquisadores devem confiar em três forças diferentes. A primeira é a força magnética, que ocorre quando dois ímãs com polos opostos se atraem ou dois polos idênticos se repelem.

A segunda força é o ambiente fluido, ou a água ao redor dos discos. Isso pode ser visto quando as partículas nadam em um redemoinho de água, o que resulta na água sendo deslocada e na alteração de outras partículas circundantes. A velocidade do redemoinho e a magnitude determinam como as partículas interagem.

A terceira força envolve duas partículas flutuando uma ao lado da outra, o que frequentemente resulta em elas derivando uma em direção à outra. A superfície da água é curvada de uma maneira que as faz se reunir.

Direcionando os Robôs

Os pesquisadores usaram essas três forças para criar um padrão de movimento coletivo e coordenado para dezenas de microrrobôs como um sistema. Os cientistas podem direcionar os robôs através de um obstáculo enquanto exibem a formação que melhor se adapta a um obstáculo dado. Por exemplo, os microrrobôs se alinham em uma fila única para passar por um passagem estreita.

Os robôs podem alcançar vários modos de locomoção e formações diferentes, o que é alcançado por meio de computação externa. Um algoritmo é programado para criar um campo magnético, seja girando ou oscilando, e isso dispara o movimento desejado dos robôs.

Gaurav Gardi é um estudante de doutorado no departamento de Inteligência Física do MPI-IS. Ele é um dos autores principais do estudo, junto com Steven Ceron.

“Dependendo de como mudamos os campos magnéticos, os discos se comportam de maneira diferente”, diz Gaurav Gardi. “Estamos ajustando uma força e, em seguida, outra até obtermos o movimento que desejamos. Se girarmos o campo magnético dentro das bobinas muito vigorosamente, a força que faz a água se mover é muito forte e os discos se afastam. Se girarmos muito devagar, então o efeito que atrai as partículas é muito forte. Precisamos encontrar o equilíbrio entre as três.”

Pesquisadores na área também estão trabalhando para tornar esses coletivos de microrrobôs ainda menores.

“Nossa visão é desenvolver um sistema que seja ainda menor, feito de partículas de apenas um micrômetro de tamanho. Esses coletivos poderiam potencialmente entrar no corpo humano e navegar por ambientes complexos para entregar medicamentos, por exemplo, para bloquear ou desbloquear passagens, ou para estimular uma área de difícil acesso”, diz Gardi.

Metin Sitti lidera o departamento de Inteligência Física.

“Coletivos de robôs com transições robustas entre comportamentos de locomoção são muito raros. No entanto, tais sistemas versáteis são vantajosos para operar em ambientes complexos. Estamos muito felizes por ter desenvolvido um coletivo reconfigurável e robusto. Vemos nossa pesquisa como um modelo para aplicações biomédicas futuras, tratamentos minimamente invasivos ou remediação ambiental”, diz Metin Sitti.