Исследователи разработали коллективы микророботов, способные двигаться в желаемых формациях

Команда исследователей из различных учреждений, включая Институт интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS), Корнелльский университет и Шанхайский университет Цзяо Тун, разработала коллективы микророботов, способные двигаться в любой желаемой формации.

Исследование было возглавлено Гауравом Гардом и профессором Метином Ситти из MPI-IS, Стивеном Сероном и профессором Кирстин Питерсон из Корнелла, и профессором Вэндоном Ваном из Шанхайского университета Цзяо Тун.

Исследование под названием «Коллективы микророботов с реконфигурируемыми морфологиями, поведением и функциями» было опубликовано в Nature Communications.

Переконфигурирование миниатюрных частиц

Миниатюрные частицы способны очень быстро переконфигурировать поведение роя. Когда они плавают на поверхности воды, микророботические диски могут двигаться по кругу, танцевать, рассредоточиваться как газ, собираться вместе или образовывать прямую линию.

Каждый отдельный робот немного больше ширины человеческого волоса, и они изготавливаются методом 3D-печати из полимера, прежде чем быть покрытыми тонким верхним слоем кобальта. Металл дает микророботам возможность стать миниатюрными магнитами, а катушки провода создают магнитное поле, когда через них проходит электричество. Это магнитное поле позволяет частицам быть точно перемещенными вокруг бассейна воды шириной один сантиметр.

Одним из впечатляющих примеров этого является когда роботы образуют линию, которую исследователи могут затем переместить, чтобы «написать» буквы в воде.

Разработка робототехники роя под влиянием коллективного поведения и закономерностей роя в природе, таких как стая птиц. Реализация поведения роя робототехники в последнее время стала очень популярной.

Однако, когда отдельная частица слишком мала для вычислений, или робот имеет ширину только 300 микрометров, его нельзя запрограммировать с помощью алгоритма. Чтобы компенсировать это, исследователи должны полагаться на три разных силы. Первая — это магнитная сила, которая возникает, когда два магнита с противоположными полюсами притягиваются или два одинаковых полюса отталкиваются друг от друга.

Вторая сила — это жидкая среда, или вода вокруг дисков. Это можно увидеть, когда частицы плавают в водовороте воды, что приводит к смещению воды и изменению других окружающих частиц. Скорость водоворота и магнититуд определяют, как частицы взаимодействуют.

Третья сила включает в себя две частицы, плавающие рядом друг с другом, что часто приводит к их дрейфу друг к другу. Поверхность воды изогнута так, что они подходят друг к другу.

Управление роботами

Исследователи использовали все три этих силы, чтобы создать коллектив и скоординированный узор движения для десятков микророботов как одного системы. Ученые могут управлять роботами через паркур, демонстрируя формацию, которая лучше всего подходит для данного препятствия. Например, микророботы выстраиваются в один ряд, чтобы пройти через узкий проход.

Роботы могут достигать нескольких разных режимов движения и формаций, что достигается за счет внешних вычислений. Алгоритм запрограммирован для создания магнитного поля, либо вращающегося, либо колеблющегося, и это вызывает желаемое движение роботов.

Гаурав Гард — аспирант отдела физической интеллекта MPI-IS. Он является одним из ведущих авторов исследования вместе со Стивеном Сероном.

«В зависимости от того, как мы меняем магнитные поля, диски ведут себя по-разному», — говорит Гаурав Гард. «Мы настраиваем одну силу, а затем другую, пока не получим желаемое движение. Если мы вращаем магнитное поле внутри катушек слишком сильно, сила, которая заставляет воду двигаться, слишком сильна, и диски отдаляются друг от друга. Если мы вращаем слишком медленно, то эффект «чир» (cheerio), который притягивает частицы, слишком сильный. Нам нужно найти баланс между тремя».

Исследователи в этой области также работают над тем, чтобы сделать эти коллективы микророботов еще меньше.

«Наша цель — разработать систему, которая еще меньше, состоящую из частиц размером только один микрометр. Эти коллективы потенциально могут проникнуть внутрь человеческого тела и ориентироваться в сложных средах, чтобы доставить лекарства, например, чтобы заблокировать или разблокировать проходы, или чтобы стимулировать труднодоступную область», — говорит Гард.

Метин Ситти возглавляет отдел физической интеллекта.

«Коллективы роботов с прочными переходами между поведением движения очень редки. Однако такие универсальные системы выгодны для работы в сложных средах. Мы очень рады, что нам удалось разработать такой прочный и настраиваемый коллектив. Мы видим наше исследование как蓝принт для будущих биомедицинских применений, минимально инвазивных методов лечения или экологической реконструкции», — говорит Метин Ситти.