研究人员开发出可以按照期望的形状移动的微型机器人集群

来自包括马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）、康奈尔大学和上海交通大学在内的多个机构的研究人员团队已经开发出可以按照任何期望的形状移动的微型机器人集群。

该研究由Gaurav Gardi和MPI-IS的Metin Sitti教授、康奈尔大学的Steven Ceron和Kirstin Peterson教授以及上海交通大学的Wendong Wang教授领导。

该研究题为“具有可重构形态、行为和功能的微型机器人集群”，已发表在自然通讯上。

重新配置微小颗粒

这些微小颗粒能够非常快速地重新配置集群行为。 当漂浮在水面上时，微型机器人盘可以以圆形移动、跳舞、像气体一样扩散、聚集在一起或形成直线。

每个个体机器人都比人类头发的宽度稍大，它们是使用聚合物3D打印的，然后涂上一层薄薄的钴。 金属使微型机器人能够成为微小的磁铁，而线圈在电流流过时会产生磁场。 这个磁场使颗粒能够在一个一厘米宽的水池中精确地移动。

一个令人印象深刻的例子是当机器人形成一条线时，研究人员可以将其移动来“写”出水中的字母。

群体机器人的发展受到自然界中集体行为和群体模式的影响，例如一群鸟。 机器人群体行为的实施近期非常流行。

然而，当单个颗粒太小，无法进行计算，或者机器人只有300微米宽时，它就无法被编程为算法。 为了弥补这一点，研究人员必须依靠三种不同的力量。 第一种是磁力，当两个磁铁的相反极吸引或两个相同的极相互排斥时就会发生。

第二种力是流体环境，或周围的水。 这可以在颗粒在水中游泳时看到，导致水被排出并改变其他周围颗粒。 水流的速度和磁力决定了颗粒如何相互作用。

第三种力涉及两个颗粒相邻漂浮，这通常会导致它们漂向彼此。 水面被弯曲以使它们聚集在一起。

控制机器人

研究人员使用这三种力量来为数十个微型机器人创建一个集体和协调的运动模式。 科学家可以通过展示最适合给定障碍的形状来引导机器人通过一个障碍赛道。 例如，微型机器人将排成一列以通过狭窄的通道。

机器人可以实现多种不同的运动模式和形状，这是通过外部计算实现的。 编程算法可以创建旋转或振荡的磁场，从而触发机器人的期望运动。

Gaurav Gardi是MPI-IS物理智能部门的博士生。他是该研究的主要作者之一，另外还有Steven Ceron。

“根据我们如何改变磁场，盘状物以不同的方式行事，”Gaurav Gardi说。“我们正在调整一种力量，然后是另一种力量，直到我们得到我们想要的运动。如果我们在线圈中过于激烈地旋转磁场，导致水移动的力太强，盘状物就会彼此远离。如果我们旋转太慢，则吸引颗粒的奶油泡沫效应太强。我们需要在三者之间找到平衡。”

该领域的研究人员还正在努力使这些类型的微型机器人集群变得更小。

“我们的愿景是开发一个由仅一微米大小的颗粒组成的甚至更小的系统。这些集群可以潜入人体并在复杂环境中导航，以输送药物，例如阻塞或解除阻塞通道，或刺激难以触及的区域，”Gardi说。

Metin Sitti领导物理智能部门。

“具有强大的运动行为转换的机器人集群非常罕见。然而，这样的多功能系统对于在复杂环境中运行是有优势的。我们很高兴我们成功地开发了这样的强大且按需可重构的集群。我们将我们的研究视为未来生物医学应用、微创治疗或环境修复的蓝图，”Metin Sitti说。