Các nhà nghiên cứu phát triển tập hợp các robot vi mô di chuyển theo hình dạng mong muốn

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ các tổ chức khác nhau, bao gồm Viện Hệ thống Thông minh Max Planck (MPI-IS), Đại học Cornell và Đại học Shanghai Jiao Tong, đã phát triển tập hợp các robot vi mô có thể di chuyển theo bất kỳ hình dạng mong muốn nào.

Nghiên cứu được dẫn đầu bởi Gaurav Gardi và Giáo sư Metin Sitti từ MPI-IS, Steven Ceron và Giáo sư Kirstin Peterson từ Cornell, và Giáo sư Wendong Wang từ Đại học Shanghai Jiao Tong.

Nghiên cứu có tiêu đề “Tập hợp robot vi mô với hình dạng, hành vi và chức năng có thể tái cấu hình” đã được công bố trên Tạp chí Truyền thông Thiên nhiên.

Tái cấu hình các hạt vi mô

Các hạt vi mô có thể tái cấu hình hành vi của đàn rất nhanh. Khi nổi trên bề mặt nước, các đĩa robot vi mô có thể di chuyển theo hình tròn, nhảy múa, lan rộng như khí, tụ họp lại hoặc tạo thành một đường thẳng.

Mỗi robot riêng lẻ có kích thước lớn hơn chiều rộng của sợi tóc người, và chúng được in 3D bằng polymer trước khi được phủ một lớp trên mỏng bằng cobalt. Kim loại này cho phép các robot vi mô trở thành các nam châm vi mô, trong khi các cuộn dây tạo ra một từ trường khi dòng điện chảy qua chúng. Từ trường này cho phép các hạt được di chuyển chính xác xung quanh một hồ nước rộng một centimet.

Một ví dụ ấn tượng về điều này là khi các robot tạo thành một đường thẳng, mà các nhà nghiên cứu có thể di chuyển xung quanh để “viết” các chữ cái trong nước.

Sự phát triển của robot đàn được ảnh hưởng bởi hành vi tập thể và mẫu đàn trong tự nhiên, chẳng hạn như một đàn chim. Việc thực hiện hành vi đàn của robot đã trở nên phổ biến gần đây.

Tuy nhiên, khi một hạt riêng lẻ quá nhỏ để tính toán, hoặc một robot chỉ rộng 300 micromet, nó không thể được lập trình với một thuật toán. Để bù đắp cho điều này, các nhà nghiên cứu phải dựa vào ba lực khác nhau. Lực đầu tiên là lực từ, xảy ra khi hai nam châm có cực đối diện hút nhau hoặc hai cực giống nhau đẩy nhau.

Lực thứ hai là môi trường chất lỏng, hoặc nước xung quanh các đĩa. Điều này có thể được nhìn thấy khi các hạt bơi trong một xoáy nước, dẫn đến nước bị dịch chuyển và thay đổi các hạt xung quanh. Tốc độ của xoáy và từ trường quyết định cách các hạt tương tác.

Lực thứ ba liên quan đến hai hạt nổi cạnh nhau, thường dẫn đến chúng trôi dạt về phía nhau. Bề mặt nước bị cong một cách khiến chúng tụ họp lại.

Định hướng các robot

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng cả ba lực này để tạo ra một mẫu chuyển động tập thể và phối hợp cho hàng chục robot vi mô như một hệ thống. Các nhà khoa học có thể điều khiển các robot thông qua một công viên thể thao trong khi hiển thị hình dạng phù hợp nhất với một chướng ngại vật nhất định. Ví dụ, các robot vi mô sẽ xếp thành một hàng đơn để đi qua một lối đi hẹp.

Các robot có thể đạt được nhiều chế độ di chuyển và hình dạng khác nhau, điều này được thực hiện thông qua tính toán bên ngoài. Một thuật toán được lập trình để tạo ra một từ trường, либо quay hoặc dao động, và điều này kích hoạt chuyển động mong muốn của các robot.

Gaurav Gardi là một sinh viên tiến sĩ tại Bộ phận Trí tuệ Vật lý của MPI-IS. Ông là một trong những tác giả chính của nghiên cứu cùng với Steven Ceron.

“Tùy thuộc vào cách chúng tôi thay đổi các từ trường, các đĩa sẽ hành xử theo một cách khác,” Gaurav Gardi nói. “Chúng tôi đang điều chỉnh một lực và sau đó là một lực khác cho đến khi chúng tôi nhận được chuyển động mà chúng tôi muốn. Nếu chúng tôi quay từ trường trong các cuộn dây quá mạnh, lực gây ra nước di chuyển xung quanh quá mạnh và các đĩa sẽ di chuyển ra xa nhau. Nếu chúng tôi quay quá chậm, thì hiệu ứng hút các hạt lại với nhau quá mạnh. Chúng tôi cần tìm sự cân bằng giữa ba lực này.”

Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này cũng đang làm việc để tạo ra các tập hợp robot vi mô thậm chí còn nhỏ hơn.

“Tầm nhìn của chúng tôi là phát triển một hệ thống thậm chí còn nhỏ hơn, được tạo thành từ các hạt chỉ rộng một micromet. Các tập hợp này có thể đi vào bên trong cơ thể con người và điều hướng qua các môi trường phức tạp để phân phối thuốc, chẳng hạn như chặn hoặc mở các lối đi, hoặc kích thích một khu vực khó tiếp cận,” Gardi nói.

Metin Sitti đứng đầu Bộ phận Trí tuệ Vật lý.

“Các tập hợp robot với chuyển đổi mạnh mẽ giữa các hành vi di chuyển là rất hiếm. Tuy nhiên, các hệ thống đa năng như vậy có lợi thế khi hoạt động trong các môi trường phức tạp. Chúng tôi rất vui vì đã thành công trong việc phát triển một tập hợp có thể tái cấu hình mạnh mẽ và theo yêu cầu. Chúng tôi xem nghiên cứu của mình như một bản thiết kế cho các ứng dụng y sinh, điều trị xâm lấn tối thiểu hoặc phục hồi môi trường trong tương lai,” Metin Sitti nói.