Onderzoekers van het Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University en Shanghai Jiao Tong University hebben collectieven van microrobots ontwikkeld die in elke gewenste formatie kunnen bewegen. De miniatuurdeeltjes zijn in staat om hun zwermgedrag snel en robuust te herconfigureren. Drijvend op het wateroppervlak, kunnen de veelzijdige microrobotische schijven in cirkels ronddraaien, de boogie dansen, samenklonteren tot een klomp, zich uitspreiden als gas of een rechte lijn vormen als kralen aan een touwtje.
Elke robot is iets groter dan een haarbreedte. Ze zijn 3D-geprint met een polymeer en vervolgens bedekt met een dunne toplaag van kobalt. Dankzij het metaal worden de microrobots miniatuurmagneten. Ondertussen omringen draadspoelen die een magnetisch veld creëren wanneer er elektriciteit doorheen stroomt de opstelling. Door het magnetische veld kunnen de deeltjes nauwkeurig rond een waterplas van een centimeter breed worden gestuurd. Als ze bijvoorbeeld een lijn vormen, kunnen de onderzoekers de robots zo bewegen dat ze letters in het water ‘schrijven’. Het onderzoeksproject van Gaurav Gardi en prof. Metin Sitti van MPI-IS, Steven Ceron en prof. Kirstin Petersen van Cornell University en prof. Wendong Wang van Shanghai Jiao Tong University getiteld “Microrobot Collectives with Reconfigurable Morphologies, Behaviors, and Functions” was gepubliceerd in Nature Communications op 26 april 2022.
Collectief gedrag komt voort uit de interacties tussen de robots
Collectief gedrag en zwermpatronen komen overal in de natuur voor. Een zwerm vogels vertoont zwermgedrag, net als een school vissen. Robots kunnen ook worden geprogrammeerd om in zwermen te handelen – en dit is vrij prominent gezien. Een technologiebedrijf presenteerde onlangs een drone-lichtshow die het bedrijf een Guinness World Record opleverde door honderden drones te programmeren en ze naast elkaar te laten vliegen, waardoor verbazingwekkende patronen in de nachtelijke hemel werden gecreëerd. Elke drone in deze zwerm was uitgerust met computergestuurde stuurbekrachtiging in alle mogelijke richtingen. Maar wat als het enkele deeltje zo klein is dat berekening geen optie is? Als een robot slechts 300 micrometer breed is, kun je hem niet programmeren met een algoritme.
Er zijn drie verschillende krachten in het spel om het gebrek aan berekening te compenseren. Een daarvan is de magnetische kracht. Twee magneten met tegengestelde polen trekken elkaar aan. Twee identieke polen stoten elkaar af. De tweede kracht is de vloeibare omgeving; het water rond de schijven. Wanneer deeltjes in een werveling van water zwemmen, verplaatsen ze het water en beïnvloeden ze de andere omringende deeltjes in het systeem. De snelheid van de werveling en de grootte ervan bepalen hoe de deeltjes op elkaar inwerken. Ten derde, als twee deeltjes naast elkaar drijven, hebben ze de neiging naar elkaar toe te drijven: ze buigen het wateroppervlak zodanig dat ze langzaam samenkomen. Wetenschappers en graanliefhebbers noemen dit het cheerio-effect: als je twee cheerios op melk laat drijven, komen ze elkaar al snel tegen. Aan de andere kant kan dit effect er ook voor zorgen dat twee dingen elkaar afstoten (probeer een haarspeld en een cheerio).
Drie krachten zorgen voor herconfigureerbaarheid
De wetenschappers gebruiken alle drie de krachten om een gecoördineerd, collectief bewegingspatroon te creëren voor enkele tientallen microrobots als één systeem. Een video (https://youtu.be/q91AWmTBzG8) laat zien hoe de wetenschappers de robots door een parcour sturen, waarbij de formatie wordt weergegeven die het beste bij de hindernisbaan past, b.v. wanneer ze een nauwe doorgang binnengaan, stellen de microrobots zich in één rij op en verspreiden ze zich weer wanneer ze naar buiten komen. De wetenschappers kunnen de robots ook laten dansen, alleen of in paren. Bovendien laten ze zien hoe ze een kleine plastic bal in de watercontainer doen en de robots vervolgens samenvoegen tot een klomp om de drijvende bal voort te duwen. Ze kunnen de kleine deeltjes in twee tandwielen plaatsen en de deeltjes zo verplaatsen dat beide tandwielen gaan draaien. Een meer geordend patroon is ook mogelijk waarbij elk deeltje een identieke afstand tot zijn buur houdt. Al deze verschillende voortbewegingsmodi en formaties worden bereikt door externe berekening: een algoritme is geprogrammeerd om een roterend of oscillerend magnetisch veld te creëren dat de gewenste beweging en herconfigureerbaarheid activeert.
“Afhankelijk van hoe we de magnetische velden veranderen, gedragen de schijven zich op een andere manier. We stemmen de ene kracht af en dan de andere totdat we de beweging krijgen die we willen. Als we het magnetische veld binnen de spoelen te krachtig draaien, zal de kracht die waardoor het water te sterk beweegt en de schijven van elkaar weg bewegen. Als we te langzaam draaien, is het cheerio-effect dat de deeltjes aantrekt te sterk. We moeten de balans tussen de drie vinden”, legt Gaurav Gardi uit. . Hij is een Ph.D. student aan de afdeling Physical Intelligence van MPI-IS en een van de twee hoofdauteurs van de publicatie samen met Steven Ceron van Cornell University.
Een model voor toekomstige biomedische en milieutoepassingen
Het toekomstscenario voor dergelijke microrobot-collectieven is om nog kleiner te worden. “Onze visie is om een systeem te ontwikkelen dat nog kleiner is, gemaakt van deeltjes die slechts één micrometer klein zijn. Deze collectieven kunnen mogelijk het menselijk lichaam binnendringen en door complexe omgevingen navigeren om medicijnen te leveren, bijvoorbeeld om doorgangen te blokkeren of te deblokkeren, of om een moeilijk bereikbare plek stimuleren”, zegt Gardi.
“Robotcollectieven met robuuste overgangen tussen voortbewegingsgedrag zijn zeer zeldzaam. Dergelijke veelzijdige systemen zijn echter voordelig om in complexe omgevingen te werken. We zijn erg blij dat we erin zijn geslaagd om zo’n robuust en on-demand herconfigureerbaar collectief te ontwikkelen. We zien ons onderzoek als een blauwdruk voor toekomstige biomedische toepassingen, minimaal invasieve behandelingen of milieusanering”, voegt Metin Sitti toe, die de afdeling Physical Intelligence leidt en een pionier is op het gebied van kleinschalige robotica en fysieke intelligentie.
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Collectief gedrag en zwermpatronen komen overal in de natuur voor. Robots kunnen ook worden geprogrammeerd om in zwermen te handelen. Onderzoekers hebben collectieven van microrobots ontwikkeld, die ze in elke gewenste formatie kunnen bewegen.
Datum van publicatie: 27 april 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily