Enjambre de microrobots auto

Universidad de Cornell

ITHACA, NY -- Una colaboración de investigación entre Cornell y el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes ha encontrado una forma eficiente de expandir el comportamiento colectivo de los microrobots enjambres: mezclar diferentes tamaños de 'bots a escala micrométrica les permite autoorganizarse en diversos patrones que se pueden manipular cuando se aplica un campo magnético. La técnica incluso permite que el enjambre "enjaule" objetos pasivos y luego los expulse.

El enfoque puede ayudar a informar cómo los futuros microrobots podrían realizar la liberación dirigida de medicamentos en los que lotes de microrobots transportan y liberan un producto farmacéutico en el cuerpo humano.

El artículo del equipo, "Autoorganización programable de colectivos heterogéneos de microrobots", publicado el 5 de junio en Proceedings of the National Academy of Sciences.

El autor principal es Steven Ceron, Ph.D. '22, que trabajó en el laboratorio de la coautora principal del artículo, Kirstin Petersen, profesora asistente y becaria de la facultad Aref y Manon Lahham en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática en Cornell Engineering.

El laboratorio de inteligencia incorporada colectiva de Petersen ha estado estudiando una variedad de métodos, desde algoritmos y control clásico hasta inteligencia física, para convencer a grandes colectivos de robots para que se comporten de manera inteligente, a menudo aprovechando las interacciones de los robots con su entorno y entre ellos. Sin embargo, este enfoque es extremadamente difícil cuando se aplica a tecnologías de microescala, que no son lo suficientemente grandes para acomodar la computación a bordo.

Para enfrentar este desafío, Ceron y Petersen se asociaron con los coautores del artículo, Gaurav Gardi y Metin Sitti, del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania. Gardi y Sitti se especializan en el desarrollo de sistemas a microescala impulsados ​​por campos magnéticos.

"La dificultad es cómo habilitar comportamientos útiles en un enjambre de robots que no tienen medios de computación, detección o comunicación", dijo Petersen. "En nuestro último artículo, demostramos que mediante el uso de una única señal global podíamos activar robots, lo que a su vez afectaba sus interacciones por pares para producir movimiento colectivo, manipulación de objetos basada en contacto y sin contacto. Ahora hemos demostrado que podemos expandir ese repertorio de comportamientos aún más, simplemente usando diferentes tamaños de microrobots juntos, de modo que sus interacciones por pares se vuelvan asimétricas".

Los microrobots en este caso son discos de polímero impresos en 3D, cada uno de aproximadamente el ancho de un cabello humano, que han sido recubiertos por pulverización catódica con una capa delgada de un material ferromagnético y colocados en una piscina de agua de 1,5 centímetros de ancho.

Los investigadores aplicaron dos campos magnéticos oscilantes externos ortogonales y ajustaron su amplitud y frecuencia, haciendo que cada microrobot girara sobre su eje central y generara sus propios flujos. Este movimiento a su vez produjo una serie de fuerzas magnéticas, hidrodinámicas y capilares.

"Al cambiar el campo magnético global, podemos cambiar las magnitudes relativas de esas fuerzas", dijo Petersen. "Y eso cambia el comportamiento general del enjambre".

Mediante el uso de microrobots de diferentes tamaños, los investigadores demostraron que podían controlar el nivel de autoorganización del enjambre y cómo los microrobots se ensamblaban, dispersaban y movían. Los investigadores pudieron: cambiar la forma general del enjambre de circular a elíptica; obligar a los microrobots de tamaño similar a agruparse en subgrupos; y ajustar el espacio entre microrobots individuales para que el enjambre pueda capturar y expulsar colectivamente objetos externos.

"La razón por la que siempre estamos emocionados cuando los sistemas son capaces de enjaular y expulsar es que podría, por ejemplo, beber un vial con pequeños microrobots que son completamente inertes para su cuerpo humano, hacer que encierren y transporten medicamentos, y luego llévelo al punto correcto de su cuerpo y suéltelo", dijo Petersen. "No es una manipulación perfecta de objetos, pero en el comportamiento de estos sistemas a microescala estamos empezando a ver muchos paralelos con robots más sofisticados a pesar de su falta de computación, lo cual es bastante emocionante".

Ceron y Petersen utilizaron un modelo de oscilador de enjambre, o swarmalator, para caracterizar con precisión cómo las interacciones asimétricas entre discos de diferentes tamaños permitieron su autoorganización.

Ahora que el equipo ha demostrado que el swarmalator se ajusta a un sistema tan complejo, esperan que el modelo también se pueda usar para predecir comportamientos de swarming nuevos y nunca antes vistos.

"Con el modelo swarmalator, podemos abstraer las interacciones físicas y resumirlas como interacciones de fase entre osciladores de enjambre, lo que significa que podemos aplicar este modelo, u otros similares, para caracterizar los comportamientos en diversos enjambres de microrobots", dijo Ceron, actualmente un becario postdoctoral en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. "Ahora podemos desarrollar y estudiar comportamientos colectivos de microrobots magnéticos y posiblemente usar el modelo swarmalator para predecir comportamientos que serán posibles a través de futuros diseños de estos microrobots".

"En el estudio actual, estábamos programando las diferencias entre las fuerzas ejercidas a través del tamaño de los microrobots, pero todavía tenemos un gran espacio de parámetros para explorar", dijo. "Espero que esto represente el primero de una larga línea de estudios en los que explotamos la heterogeneidad en la morfología de los microrobots para provocar comportamientos colectivos más complejos".

La investigación fue apoyada por la Sociedad Max Planck, la Fundación Nacional de Ciencias, la Beca Fulbright de Alemania y la Beca de la Fundación Packard para Ciencias e Ingeniería.

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