Дослідники розробили колективи мікророботів, які рухаються у бажаній формі

Команда дослідників з різних інститутів, включаючи Інститут інтелектуальних систем імені Макса Планка (MPI-IS), Корнелльський університет та Шанхайський університет Цзяо Тун, розробили колективи мікророботів, які можуть рухатися у будь-якій бажаній формі.

Дослідження було проведено під керівництвом Гаурава Гарді та професора Метіна Сітті з MPI-IS, Стівена Серона та професора Кірстін Петерсон з Корнелльського університету, а також професора Вендона Ванга з Шанхайського університету Цзяо Тун.

Дослідження під назвою „Колективи мікророботів з реконфігуровними морфологіями, поведінкою та функціями“ було опубліковано в Nature Communications.

Реконфігурація мініатюрних частинок

Мініатюрні частинки здатні швидко реконфігурувати поведінку рою. Коли вони плавають на поверхні води, мікророботичні диски можуть рухатися по колу, танцювати, розсіюватися як газ, зібратися разом або утворити пряму лінію.

Кожен окремий робот трохи більший за ширину людського волосся, і вони виготовляються методом 3D-друку з полімеру перед тим, як бути покритими тонким верхнім шаром кобальту. Метал надає мікророботам можливість стати мініатюрними магнітами, а дроти створюють магнітне поле, коли через них протікає електричний струм. Це магнітне поле дозволяє частинкам бути точно переміщеними навколо басейну води шириною один сантиметр.

Вражаючим прикладом цього є те, коли роботи утворюють лінію, яку дослідники можуть потім перемістити, щоб „написати“ букви у воді.

Розвиток робототехніки рою під впливом колективної поведінки та моделей рою в природі, таких як стая птахів. Реалізація поведінки рою в робототехніці набула популярності в останні роки.

Однак, коли окрема частинка занадто мала для обчислення, або робот має ширину лише 300 мікрометрів, його не можна запрограмувати алгоритмом. Щоб компенсувати це, дослідники повинні покладатися на три різні сили. Перша сила – магнітна сила, яка виникає, коли два магніти з протилежними полюсами притягуються або два однакові полюси відштовхуються один одного.

Друга сила – рідина навколо дисків. Це можна побачити, коли частинки плавають у воді, що призводить до того, що вода переміщується та змінює інші навколишні частинки. Швидкість водовороту та магнітуда визначають, як частинки взаємодіють.

Третя сила полягає у тому, що дві частинки плавають поруч одна з одною, що часто призводить до того, що вони дрейфують одна до одної. Поверхня води вигнута так, що вони збираються разом.

Керування роботами

Дослідники використали всі три ці сили, щоб створити колективну та координовану модель руху для десятків мікророботів як одного системи. Учені можуть керувати роботами через паркур, демонструючи формування, яке найкраще підходить для даної перешкоди. Наприклад, мікророботи будуть утворювати одну лінію, щоб пройти через вузький прохід.

Роботи можуть досягти декількох різних режимів руху та формувань, що досягається за допомогою зовнішніх обчислень. Алгоритм програмується для створення магнітного поля, яке обертається або коливається, і це викликає бажаний рух роботів.

Гаурав Гарді – аспірант кафедри фізичної інтелектуальності в MPI-IS. Він один із головних авторів дослідження разом із Стівеном Сероном.

„Залежно від того, як ми змінюємо магнітні поля, диски поводяться по-різному”, – каже Гаурав Гарді. „Ми налаштовуємо одну силу, а потім іншу, поки не отримуємо бажаний рух. Якщо ми обертаємо магнітне поле всередині котушок занадто сильно, сила, яка викликає рух води, занадто сильна, і диски рухаються один від одного. Якщо ми обертаємо занадто повільно, то ефект чиріо, який притягує частинки, занадто сильний. Нам потрібно знайти баланс між трьома”.

Дослідники в галузі також працюють над тим, щоб зробити ці колективи мікророботів ще меншими.

„Наше бачення – розробити систему, яка ще менша, складається з частинок розміром лише один мікрометр. Ці колективи потенційно можуть проникнути всередину людського тіла та рухатися через складні середовища, щоб доставити лікарські засоби, наприклад, блокувати або розблоковувати проходи, або стимулювати важкодоступну область”, – каже Гарді.

Метін Сітті очолює кафедру фізичної інтелектуальності.

„Колективи роботів з надійними переходами між поведінками руху дуже рідкісні. Однак такі універсальні системи є корисними для роботи в складних середовищах. Ми дуже раді, що нам вдалося розробити такий надійний і реконфігурований колектив. Ми бачимо наше дослідження як блупринт для майбутніх біомедичних застосунків, мінімально інвазивних лікування або екологічної реабілітації”, – каже Метін Сітті.