Forskare utvecklar kollektiv av mikrorobotar som kan röra sig i önskade formationer

Ett team av forskare från olika institutioner, inklusive Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University och Shanghai Jiao Tong University, har utvecklat kollektiv av mikrorobotar som kan röra sig i valfri formation.

Forskningen leddes av Gaurav Gardi och professor Metin Sitti från MPI-IS, Steven Ceron och professor Kirstin Peterson från Cornell, och professor Wendong Wang från Shanghai Jiao Tong University.

Forskningen med titeln ”Mikrorobotkollektiv med omkonfigurerbara morfologier, beteenden och funktioner” publicerades i Nature Communications.

Omkonfiguration av de miniatyriska partiklarna

De miniatyriska partiklarna kan omkonfigurera svärmbeteendet mycket snabbt. När de flyter på vattenytan kan de mikrorobotiska skivorna röra sig i cirklar, dansa runt, sprida ut sig som gas, samla sig eller bilda en rak linje.

Varje enskild robot är lite större än bredden på ett mänskligt hår, och de tillverkas med 3D-utskrifter av en polymer innan de beläggs med ett tunt översta lager av kobolt. Metallen ger mikrorobotarna förmågan att bli miniatyriska magneter, medan trådslingor skapar ett magnetfält när elektricitet flödar genom dem. Detta magnetfält möjliggör att partiklarna kan flyttas exakt runt en en centimeter bred pool av vatten.

Ett imponerande exempel på detta är när robotarna bildar en linje, som forskarna sedan kan flytta runt för att ”skriva” ut bokstäver i vattnet.

Utvecklingen av svärmbotanik påverkas av kollektivt beteende och svärmmönster i naturen, såsom en flock fåglar. Implementeringen av svärmbeteende i robotik har exploderat i popularitet nyligen.

Men när den enskilda partikeln är för liten för beräkning, eller en robot är bara 300 mikrometer bred, kan den inte programmeras med en algoritm. För att kompensera för detta måste forskarna förlita sig på tre olika krafter. Den första är magnetkraften, som uppstår när två magneter med motsatta poler dras till varandra eller två identiska poler stöter bort varandra.

Den andra kraften är den fluida miljön, eller vattnet runt skivorna. Detta kan ses när partiklarna simmar i en virvel av vatten, vilket resulterar i att vattnet förflyttas och ändringen av andra omgivande partiklar. Hastigheten på virveln och magnetiteten bestämmer hur partiklarna interagerar.

Den tredje kraften innebär att två partiklar flyter bredvid varandra, vilket ofta resulterar i att de drar sig mot varandra. Vattenytan är krökt på ett sätt som gör att de kommer samman.

Styrning av robotarna

Forskarna använde alla tre av dessa krafter för att skapa ett kollektivt och samordnat mönster av rörelse för dussintals mikrorobotar som ett system. Forskarna kan styra robotarna genom en hinderbana medan de visar formationen som bäst passar ett visst hinder. Till exempel kommer mikrorobotarna att bilda en enkel fil för att komma igenom en smal passage.

Robotarna kan uppnå flera olika rörelsemönster och formationer, vilket uppnås genom extern beräkning. En algoritm programmeras för att skapa ett magnetfält, antingen roterande eller oscillerande, och detta utlöser den önskade rörelsen av robotarna.

Gaurav Gardi är en doktorand i avdelningen för fysisk intelligens vid MPI-IS. Han är en av huvudförfattarna till studien tillsammans med Steven Ceron.

“Beroende på hur vi ändrar magnetfälten, beter sig skivorna på ett annat sätt”, säger Gaurav Gardi. ”Vi justerar en kraft och sedan en annan tills vi får den rörelse vi vill ha. Om vi roterar magnetfältet inom spolar för snabbt, är kraften som orsakar att vattnet rör sig för stark och skivorna rör sig bort från varandra. Om vi roterar för långsamt, är den så kallade cheerio-effekten som drar partiklarna för stark. Vi måste hitta balansen mellan de tre.”

Forskare inom området arbetar också med att göra dessa typer av mikrorobotiska kollektiv ännu mindre.

“Vår vision är att utveckla ett system som är ännu mindre och består av partiklar som är bara en mikrometer stora. Dessa kollektiv kunde potentiellt gå in i den mänskliga kroppen och navigera genom komplexa miljöer för att leverera läkemedel, till exempel för att blockera eller öppna passage, eller för att stimulera ett svårtillgängligt område”, säger Gardi.

Metin Sitti leder avdelningen för fysisk intelligens.

“Robotkollektiv med robusta övergångar mellan rörelsemönster är mycket sällsynta. Men sådana flexibla system är fördelaktiga att operera i komplexa miljöer. Vi är mycket glada att vi lyckades utveckla ett sådant robust och på begäran omkonfigurerbart kollektiv. Vi ser vår forskning som en ritning för framtida biomedicinska tillämpningar, minimalt invasiva behandlingar eller miljöåterställning”, säger Metin Sitti.