Fuente: Universidad de Cornell
Cooperación en investigación entre Cornell y el Instituto de Sistemas Inteligentes El equipo de Max Planck ha encontrado una forma efectiva de extender el comportamiento colectivo de los microrobots en enjambre: mezclar microrobots de diferentes tamaños les permite autoensamblarse en una variedad de patrones que pueden manipularse cuando se aplica un campo magnético. Esta técnica incluso permite que el enjambre “atrape” objetos pasivos y luego los expulse.
Este enfoque podría ayudar a informar cómo los futuros microrobots pueden realizar la liberación dirigida de medicamentos, donde lotes de microrobots transportan y liberan un producto farmacéutico en el cuerpo humano.
El artículo del equipo “Programmable Self-Organization of Heterogeneous Microrobot Collectives” se publicó el 5 de junio en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
El autor principal es el Dr. Steven Ceron. ’22, que trabajó en el laboratorio de la coautora principal del artículo Kirstin Petersen, profesora asistente y conferencista en Aref y Manon Lahham en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Cornell Engineering.
El laboratorio de inteligencia incorporada colectiva de Petersen explora una variedad de métodos, desde algoritmos y control clásico hasta inteligencia física, para inducir a grandes colectivos robóticos a comportarse de manera inteligente, a menudo explotando las interacciones de los robots con su entorno y entre ellos. Sin embargo, este enfoque es extremadamente difícil para las tecnologías de microescala que no son lo suficientemente grandes para acomodar los cálculos a bordo.
Para abordar este desafío, Ceron y Petersen se asociaron con los coautores del artículo Gaurav Gardi y Metin Sitti del Instituto Adam Mickiewicz para Sistemas Inteligentes. Max Planck en Stuttgart, Alemania. Gardi y Sitti se especializan en el desarrollo de sistemas a microescala impulsados por campos magnéticos.
“El desafío es cómo habilitar comportamientos útiles en un enjambre de robots que no tienen los medios de computación, detección o comunicación”, dijo Petersen. “En nuestro artículo reciente, demostramos que con una sola señal global podemos activar robots, lo que a su vez influye en sus interacciones por pares para producir movimiento colectivo, manipulación de objetos con contacto y sin contacto. Ahora hemos demostrado que podemos ampliar aún más este repertorio de comportamiento simplemente usando microrobots de diferentes tamaños para que sus interacciones por pares se vuelvan asimétricas”.
En este caso, los microrobots son discos de polímero impresos en 3D, cada uno del ancho de un cabello humano, que se cubrieron con una fina capa de material ferromagnético y se colocaron en una piscina de agua de 1,5 centímetros de ancho.
Los científicos aplicaron dos campos magnéticos oscilantes externos ortogonales y ajustaron su amplitud y frecuencia, haciendo que cada microrobot girara alrededor de su propio 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 estas fuerzas”, dijo Petersen. “Y eso cambia el comportamiento general del enjambre”.
Usando microrobots de diferentes tamaños, los investigadores demostraron que podían controlar el nivel de autoorganización del enjambre y cómo los microrobots se congregan, dispersan y mueven. Los científicos lograron: cambiar la forma general del enjambre de redonda a elíptica; obligar a los microrobots de tamaño similar a agruparse en subgrupos; y ajuste el espacio entre microrobots individuales para que el enjambre pueda agarrar y eliminar colectivamente objetos externos.
“La razón por la que siempre estamos emocionados cuando los sistemas pueden ser enjaulados y excretados es que puedes, por ejemplo, beber un vial de diminutos microrobots que son completamente inertes para el cuerpo humano, ponerlos en una jaula y transportar medicamentos, y luego llévelo al punto correcto del cuerpo y suéltelo”, dijo Petersen. “No es una manipulación perfecta de objetos, pero en el comportamiento a microescala de estos sistemas, estamos empezando a ver muchas similitudes con robots más sofisticados, a pesar de su falta de cómputo, lo cual es bastante emocionante”.
Ceron y Petersen utilizaron el modelo de oscilador de enjambre, o enjambre, para caracterizar exactamente cómo las interacciones asimétricas entre discos de diferentes tamaños les permitían autoensamblarse.
Ahora que el equipo ha demostrado que el enjambre encaja en un sistema tan complejo, esperan que el modelo también se pueda usar para predecir el comportamiento del enjambre nuevo y nunca antes visto.
“Con el modelo de enjambre, podemos extraer las interacciones físicas y resumirlas como interacciones de fase entre osciladores de enjambre, lo que significa que podemos aplicar este modelo o uno similar para caracterizar comportamientos en diferentes enjambres de microrobots”, dijo Ceron, ahora profesor asistente en Instituto de Tecnología de Massachusetts. “Ahora podemos desarrollar y estudiar los comportamientos colectivos de los microrobots magnéticos y tal vez usar el modelo de enjambre para predecir los comportamientos que permitirán los diseños futuros de estos microrobots”.
“En el estudio actual, programamos 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 este sea el primero de una larga serie de estudios en los que estamos explotando la heterogeneidad de la morfología de los microrobots para inducir un comportamiento colectivo más complejo”.
Más información:
Steven Ceron et al., Autoorganización programable de colectivos heterogéneos de microrobots, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.2221913120