Enxame de microrrobôs auto

Universidade de Cornell

ITHACA, NY - Uma colaboração de pesquisa entre Cornell e o Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes encontrou uma maneira eficiente de expandir o comportamento coletivo de enxames de microrrobôs: a mistura de tamanhos diferentes dos 'bots de microescala permite que eles se auto-organizem em diversos padrões que podem ser manipulados quando um campo magnético é aplicado. A técnica ainda permite que o enxame "enjaule" objetos passivos e depois os expulse.

A abordagem pode ajudar a informar como futuros microrrobôs poderiam realizar a liberação de drogas direcionadas em que lotes de microrobôs transportam e liberam um produto farmacêutico no corpo humano.

O artigo da equipe, "Programmable Self-Organization of Heterogeneous Microrobot Collectives", publicado em 5 de junho na Proceedings of the National Academy of Sciences.

O principal autor é Steven Ceron, Ph.D. '22, que trabalhou no laboratório da co-autora sênior do artigo, Kirstin Petersen, professora assistente e bolsista do corpo docente da Aref e Manon Lahham no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Cornell Engineering.

O Laboratório de Inteligência Corporificada Coletiva de Petersen tem estudado uma variedade de métodos – de algoritmos e controle clássico a inteligência física – para persuadir grandes coletivos de robôs a se comportarem de maneira inteligente, geralmente aproveitando as interações dos robôs com seu ambiente e entre si. No entanto, essa abordagem é extremamente difícil quando aplicada a tecnologias de microescala, que não são grandes o suficiente para acomodar a computação integrada.

Para enfrentar esse desafio, Ceron e Petersen se uniram aos coautores do artigo, Gaurav Gardi e Metin Sitti, do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes em Stuttgart, Alemanha. Gardi e Sitti são especializados no desenvolvimento de sistemas em microescala movidos por campos magnéticos.

"A dificuldade é como habilitar comportamentos úteis em um enxame de robôs que não possuem meios de computação, detecção ou comunicação", disse Petersen. "Em nosso último artigo, mostramos que, usando um único sinal global, poderíamos acionar robôs, por sua vez, afetando suas interações pareadas para produzir movimento coletivo, manipulação de objetos baseada em contato e sem contato. Agora, mostramos que podemos expandir ainda mais esse repertório de comportamentos, simplesmente usando tamanhos diferentes de microrrobôs juntos, de modo que suas interações pareadas se tornem assimétricas."

Os microrrobôs neste caso são discos de polímero impressos em 3D, cada um com aproximadamente a largura de um cabelo humano, que foram revestidos com uma fina camada de material ferromagnético e colocados em uma piscina de água de 1,5 centímetro de largura.

Os pesquisadores aplicaram dois campos magnéticos oscilantes externos ortogonais e ajustaram sua amplitude e frequência, fazendo com que cada microrobô girasse em seu eixo central e gerasse seus próprios fluxos. Este movimento, por sua vez, produziu uma série de forças magnéticas, hidrodinâmicas e capilares.

"Mudando o campo magnético global, podemos mudar as magnitudes relativas dessas forças", disse Petersen. "E isso muda o comportamento geral do enxame."

Usando microrrobôs de tamanhos variados, os pesquisadores demonstraram que podiam controlar o nível de auto-organização do enxame e como os microrobôs se reuniam, se dispersavam e se moviam. Os pesquisadores foram capazes de: alterar a forma geral do enxame de circular para elíptica; forçar microrrobôs de tamanhos semelhantes a se agruparem em subgrupos; e ajustar o espaçamento entre microrrobôs individuais para que o enxame possa capturar e expulsar objetos externos coletivamente.

"A razão pela qual estamos sempre entusiasmados quando os sistemas são capazes de enjaular e expelir é que você pode, por exemplo, beber um frasco com pequenos microrrobôs que são completamente inertes ao seu corpo humano, fazer com que eles enjaulem e transportem remédios, e então traga-o para o ponto certo em seu corpo e solte-o", disse Petersen. “Não é uma manipulação perfeita de objetos, mas nos comportamentos desses sistemas em microescala estamos começando a ver muitos paralelos com robôs mais sofisticados, apesar de sua falta de computação, o que é bastante empolgante”.