Schwärmende Mikroroboter selbst

Cornell Universität

ITHACA, NY – Eine Forschungskooperation zwischen Cornell und dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme hat einen effizienten Weg gefunden, das kollektive Verhalten schwärmender Mikroroboter zu erweitern: Das Mischen verschiedener Größen der Mikroroboter im Mikrometerbereich ermöglicht es ihnen, sich selbst zu diversifizieren Muster, die manipuliert werden können, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Die Technik ermöglicht es dem Schwarm sogar, passive Objekte „einzusperren“ und sie dann auszutreiben.

Der Ansatz könnte Aufschluss darüber geben, wie zukünftige Mikroroboter eine gezielte Arzneimittelfreisetzung durchführen könnten, bei der Chargen von Mikrorobotern ein pharmazeutisches Produkt transportieren und im menschlichen Körper freisetzen.

Der Artikel des Teams mit dem Titel „Programmable Self-Organization of Heterogeneous Microrobot Collectives“ wurde am 5. Juni in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Der Hauptautor ist Steven Ceron, Ph.D. '22, die im Labor der Co-Hauptautorin des Artikels, Kirstin Petersen, arbeitete, Assistenzprofessorin und Aref and Manon Lahham Faculty Fellow am Department of Electrical and Computer Engineering in Cornell Engineering.

Petersens Collective Embodied Intelligence Lab hat eine Reihe von Methoden untersucht – von Algorithmen und klassischer Steuerung bis hin zu physischer Intelligenz –, um große Roboterkollektive zu intelligentem Verhalten zu bewegen, oft durch Nutzung der Interaktionen der Roboter mit ihrer Umgebung und untereinander. Allerdings ist dieser Ansatz äußerst schwierig, wenn er auf Mikrotechnologien angewendet wird, die nicht groß genug sind, um Onboard-Berechnungen zu ermöglichen.

Um diese Herausforderung anzugehen, schlossen sich Ceron und Petersen mit den Co-Autoren des Papiers, Gaurav Gardi und Metin Sitti vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, Deutschland, zusammen. Gardi und Sitti sind auf die Entwicklung mikroskaliger Systeme spezialisiert, die durch Magnetfelder angetrieben werden.

„Die Schwierigkeit besteht darin, nützliche Verhaltensweisen in einem Schwarm von Robotern zu ermöglichen, die keine Möglichkeit zur Berechnung, Wahrnehmung oder Kommunikation haben“, sagte Petersen. „In unserer letzten Arbeit haben wir gezeigt, dass wir durch die Verwendung eines einzigen globalen Signals Roboter antreiben und so ihre paarweisen Interaktionen beeinflussen können, um kollektive Bewegungen sowie kontaktbasierte und kontaktlose Manipulationen von Objekten zu erzeugen. Jetzt haben wir gezeigt, dass wir das können.“ Erweitern Sie dieses Verhaltensrepertoire noch weiter, indem Sie einfach Mikroroboter unterschiedlicher Größe zusammen verwenden, sodass ihre paarweisen Interaktionen asymmetrisch werden.

Bei den Mikrorobotern handelt es sich in diesem Fall um 3D-gedruckte Polymerscheiben von etwa der Breite eines menschlichen Haares, die mit einer dünnen Schicht eines ferromagnetischen Materials durch Sputtern beschichtet und in ein 1,5 Zentimeter breites Wasserbecken gelegt wurden.

Die Forscher legten zwei orthogonale externe oszillierende Magnetfelder an und passten deren Amplitude und Frequenz an, sodass sich jeder Mikroroboter um seine Mittelachse drehte und seine eigenen Strömungen erzeugte. Diese Bewegung erzeugte wiederum eine Reihe magnetischer, hydrodynamischer und kapillarer Kräfte.

„Indem wir das globale Magnetfeld ändern, können wir die relativen Größen dieser Kräfte ändern“, sagte Petersen. „Und das verändert das Gesamtverhalten des Schwarms.“

Durch den Einsatz von Mikrorobotern unterschiedlicher Größe zeigten die Forscher, dass sie den Grad der Selbstorganisation des Schwarms und die Art und Weise steuern konnten, wie sich die Mikroroboter versammelten, verteilten und bewegten. Den Forschern gelang es: die Gesamtform des Schwarms von kreisförmig in elliptisch zu ändern; Zwingen Sie Mikroroboter ähnlicher Größe, sich zu Untergruppen zusammenzuschließen. und den Abstand zwischen einzelnen Mikrorobotern so anpassen, dass der Schwarm gemeinsam externe Objekte erfassen und ausstoßen kann.

„Der Grund, warum wir uns immer freuen, wenn die Systeme in der Lage sind, Käfige einzusperren und auszutreiben, liegt darin, dass man zum Beispiel mit kleinen Mikrorobotern, die für den menschlichen Körper völlig inert sind, ein Fläschchen trinken, sie in Käfigen halten und Medikamente transportieren können, und dann.“ Bringen Sie es an die richtige Stelle in Ihrem Körper und geben Sie es frei“, sagte Petersen. „Es geht nicht um die perfekte Manipulation von Objekten, aber im Verhalten dieser Systeme im Mikromaßstab erkennen wir allmählich viele Parallelen zu anspruchsvolleren Robotern, obwohl ihnen die Rechenleistung fehlt, was ziemlich aufregend ist.“

Ceron und Petersen verwendeten ein Schwarmoszillatormodell – oder Schwarmalator –, um genau zu charakterisieren, wie die asymmetrischen Wechselwirkungen zwischen unterschiedlich großen Scheiben ihre Selbstorganisation ermöglichten.

Nachdem das Team nun gezeigt hat, dass der Swarmalator zu einem so komplexen System passt, hoffen sie, dass das Modell auch zur Vorhersage neuer und bisher nicht beobachteter Schwarmverhaltensweisen verwendet werden kann.

„Mit dem Swarmalator-Modell können wir die physikalischen Interaktionen abstrahieren und sie als Phaseninteraktionen zwischen Schwarmoszillatoren zusammenfassen, was bedeutet, dass wir dieses oder ähnliche Modelle anwenden können, um das Verhalten verschiedener Mikroroboterschwärme zu charakterisieren“, sagte Ceron, derzeit a Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology. „Jetzt können wir das kollektive Verhalten magnetischer Mikroroboter entwickeln und untersuchen und möglicherweise das Swarmalator-Modell verwenden, um Verhaltensweisen vorherzusagen, die durch zukünftige Designs dieser Mikroroboter möglich sein werden.“

„In der aktuellen Studie haben wir Unterschiede zwischen den ausgeübten Kräften durch die Größe der Mikroroboter programmiert, aber wir müssen noch einen großen Parameterraum erforschen“, sagte er. „Ich hoffe, dass dies der erste einer langen Reihe von Studien ist, in denen wir die Heterogenität in der Morphologie der Mikroroboter ausnutzen, um komplexere kollektive Verhaltensweisen hervorzurufen.“

Die Forschung wurde von der Max-Planck-Gesellschaft, der National Science Foundation, dem Fulbright-Deutschland-Stipendium und dem Packard Foundation Fellowship for Science and Engineering unterstützt.

-30-

Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften

10.1073/pnas.2221913120

Haftungsausschluss: AAAS und EurekAlert! sind nicht verantwortlich für die Richtigkeit der auf EurekAlert veröffentlichten Pressemitteilungen! durch beitragende Institutionen oder für die Nutzung jeglicher Informationen über das EurekAlert-System.