Cercetătorii dezvoltă colective de microroboți care se pot deplasa în formațiuni dorite

O echipă de cercetători de la instituții precum Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University și Shanghai Jiao Tong University a dezvoltat colective de microroboți care pot fi deplasați în orice formațiune dorită.

Cercetarea a fost condusă de Gaurav Gardi și prof. Metin Sitti de la MPI-IS, Steven Ceron și prof. Kirstin Peterson de la Cornell, și prof. Wendong Wang de la Shanghai Jiao Tong University.

Cercetarea intitulată „Colective de microroboți cu morfologii, comportamente și funcții reconfigurabile” a fost publicată în Nature Communications.

Reconfigurarea particulelor miniaturale

Particulele miniaturale pot reconfigura comportamentul de swarm foarte rapid. Când plutesc pe suprafața apei, discurile microrobotice pot se deplasa în cercuri, dansa în jur, se răspândi ca un gaz, se aduna împreună sau se formează într-o linie dreaptă.

Fiecare robot individual este puțin mai mare decât lățimea unui fir de păr uman, și sunt imprimați 3D folosind un polimer înainte de a fi acoperiți cu un strat subțire de cobalt. Metalul dă microroboților capacitatea de a deveni magnetici miniaturali, în timp ce bobinele creează un câmp magnetic atunci când curentul electric trece prin ele. Acest câmp magnetic permite particulelor să fie deplasate cu precizie în jurul unui bazin de apă de un centimetru lățime.

Un exemplu impresionant al acestui fapt este atunci când roboții formează o linie, pe care cercetătorii o pot deplasa pentru a „scrie” litere în apă.

Dezvoltarea robotică de swarm este influențată de comportamentul colectiv și modelele de swarm din natură, precum un stol de păsări. Implementarea comportamentului de swarm a roboților a explodat în popularitate recent.

Cu toate acestea, atunci când o particulă individuală este prea mică pentru a fi programată, sau un robot este doar de 300 de micrometri lățime, nu poate fi programat cu un algoritm. Pentru a compensa acest lucru, cercetătorii trebuie să se bazeze pe trei forțe diferite. Prima forță este forța magnetică, care apare atunci când doi magneți cu poli opuși se atrag sau doi poli identici se resping.

A doua forță este mediul fluid, sau apa din jurul discului. Acest lucru poate fi văzut atunci când particulele înoată într-un vârtej de apă, ceea ce rezultă în deplasarea apei și alterarea altor particule din jur. Viteza vârtejului și magnetitudinea determină modul în care particulele interacționează.

A treia forță implică două particule care plutesc una lângă alta, ceea ce adesea rezultă în driftarea lor una către alta. Suprafața apei este îndoită într-un mod care face ca particulele să se apropie.

Dirijarea roboților

Cercetătorii au folosit toate aceste trei forțe pentru a crea un model colectiv și coordonat de mișcare pentru zeci de microroboți ca un sistem. Oamenii de știință pot dirija roboții printr-un parcurs de obstacole, afișând formațiunea care se potrivește cel mai bine unui obstacol dat. De exemplu, microroboții se vor alinia într-un șir pentru a trece printr-un pasaj îngust.

Roboții pot realiza mai multe moduri de deplasare și formațiuni, ceea ce se realizează prin computație externă. Un algoritm este programat pentru a crea un câmp magnetic, care se rotește sau oscilează, și acesta declanșează mișcarea dorită a roboților.

Gaurav Gardi este student doctorand în departamentul de Inteligență Fizică de la MPI-IS. El este unul dintre autorii principali ai studiului, alături de Steven Ceron.

„În funcție de modul în care modificăm câmpurile magnetice, discurile se comportă în moduri diferite”, spune Gaurav Gardi. „Suntem în proces de ajustare a unei forțe și apoi a alteia până când obținem mișcarea dorită. Dacă rotim câmpul magnetic în interiorul bobinelor prea viguros, forța care face ca apa să se miște în jur este prea puternică și discurile se îndepărtează una de alta. Dacă rotim prea încet, atunci efectul care atrage particulele este prea puternic. Trebuie să găsim echilibrul între cele trei.”

Cercetătorii din domeniu lucrează, de asemenea, pentru a face aceste tipuri de colective de microroboți și mai mici.

„Viziunea noastră este să dezvoltăm un sistem care este și mai mic, format din particule de numai un micrometru. Aceste colective ar putea, în mod potențial, să intre în corpul uman și să navigheze prin medii complexe pentru a livra medicamente, de exemplu, pentru a bloca sau debloca căi, sau pentru a stimula o zonă greu accesibilă”, spune Gardi.

Metin Sitti conduce departamentul de Inteligență Fizică.

„Colectivele de roboți cu tranziții robuste între comportamentele de deplasare sunt foarte rare. Cu toate acestea, astfel de sisteme versatile sunt avantajoase pentru a opera în medii complexe. Suntem foarte fericiți că am reușit să dezvoltăm un astfel de colectiv robust și reconfigurabil la cerere. Ne vedem cercetarea ca o hartă pentru aplicații biomedicale viitoare, tratamente minim invazive sau remedieri de mediu”, spune Metin Sitti.