Роящиеся микророботы сами

Cornell University

ИТАКА, Нью-Йорк — Исследовательское сотрудничество между Корнеллом и Институтом интеллектуальных систем Макса Планка позволило найти эффективный способ расширить коллективное поведение роящихся микророботов: смешивание ботов микронного масштаба разных размеров позволяет им самоорганизовываться в разнообразные узоры, которыми можно манипулировать при приложении магнитного поля. Эта техника даже позволяет рою «запирать» пассивные объекты, а затем изгонять их.

Этот подход может помочь понять, как будущие микророботы смогут осуществлять целенаправленное высвобождение лекарств, при котором партии микророботов транспортируют и высвобождают фармацевтический продукт в организме человека.

Статья команды «Программируемая самоорганизация гетерогенных коллективов микророботов» опубликована 5 июня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ведущий автор — Стивен Серон, доктор философии. 22 года, который работал в лаборатории состаршего автора статьи Кирстин Петерсен, доцента и научного сотрудника факультета Арефа и Манон Лахэм на кафедре электротехники и вычислительной техники Корнеллского инженерного факультета.

Лаборатория коллективного воплощенного интеллекта Петерсена изучает ряд методов – от алгоритмов и классического управления до физического интеллекта – чтобы убедить большие коллективы роботов вести себя разумно, часто используя взаимодействие роботов с окружающей средой и друг с другом. Однако этот подход чрезвычайно сложен применительно к микротехнологиям, которые недостаточно велики для размещения встроенных вычислений.

Чтобы решить эту проблему, Церон и Петерсен объединились с соавторами статьи Гауравом Гарди и Метин Ситти из Института интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, Германия. Гарди и Ситти специализируются на разработке микромасштабных систем, приводимых в движение магнитными полями.

«Сложность заключается в том, как обеспечить полезное поведение в стае роботов, у которых нет средств вычислений, восприятия или связи», — сказал Петерсен. «В нашей последней статье мы показали, что, используя один глобальный сигнал, мы можем приводить в действие роботов, в свою очередь влияя на их парные взаимодействия, вызывая коллективное движение, контактные и бесконтактные манипуляции объектами. Теперь мы показали, что можем еще больше расширите этот репертуар поведения, просто используя вместе микророботов разного размера, так что их парное взаимодействие станет асимметричным».

Микророботы в данном случае представляют собой напечатанные на 3D-принтере полимерные диски, каждый шириной примерно с человеческий волос, на которые напылением нанесен тонкий слой ферромагнитного материала и помещены в бассейн с водой шириной 1,5 сантиметра.

Исследователи применили два ортогональных внешних осциллирующих магнитных поля и отрегулировали их амплитуду и частоту, заставив каждого микроробота вращаться вокруг своей центральной оси и генерировать собственные потоки. Это движение, в свою очередь, порождало ряд магнитных, гидродинамических и капиллярных сил.

«Изменяя глобальное магнитное поле, мы можем изменить относительные величины этих сил», — сказал Петерсен. «И это меняет общее поведение роя».

Используя микророботов разного размера, исследователи продемонстрировали, что могут контролировать уровень самоорганизации роя и то, как микророботы собираются, распределяются и перемещаются. Исследователям удалось: изменить общую форму роя с круглой на эллиптическую; заставить микророботов одинакового размера группироваться в подгруппы; и отрегулировать расстояние между отдельными микророботами так, чтобы рой мог коллективно захватывать и изгонять внешние объекты.

«Причина, по которой мы всегда рады, когда системы способны помещать в клетку и изгонять, заключается в том, что вы можете, например, выпить пузырек с помощью маленьких микророботов, которые полностью инертны к вашему человеческому телу, заставить их поместить в клетку и транспортировать лекарство, а затем поднесите его к нужной точке вашего тела и отпустите», — сказал Петерсен. «Это не идеальное манипулирование объектами, но в поведении этих микромасштабных систем мы начинаем видеть много параллелей с более сложными роботами, несмотря на отсутствие у них вычислений, что довольно интересно».