Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Рой микророботов самоорганизуется в различные модели

Рой микророботов самоорганизуется в различные модели
Рой микророботов самоорганизуется в различные модели

Исследовательское сотрудничество между Корнеллом и Институтом интеллектуальных систем Макса Планка позволило найти эффективный способ расширить коллективное поведение роящихся микророботов: смешивание разных размеров микронных роботов позволяет им самоорганизовываться в разнообразные модели, которыми можно манипулировать. при приложении магнитного поля. Этот метод даже позволяет рою «запирать» пассивные объекты, а затем изгонять их.

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

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

Ведущий автор — Стивен Церон, доктор философии. ’22, который работал в лаборатории старшего соавтора статьи Кирстин Петерсен, доцента и научного сотрудника факультета Арефа и Манон Лаххэм на кафедре электротехники и вычислительной техники в Корнеллском инженерном деле.

Лаборатория коллективного воплощенного интеллекта Петерсена изучала ряд методов — от алгоритмов и классического управления до физического интеллекта — чтобы убедить большие коллективы роботов вести себя разумно, часто за счет взаимодействия роботов с окружающей средой и друг с другом. Однако этот подход чрезвычайно сложен при применении к микромасштабным технологиям, которые недостаточно велики для встроенных вычислений.

Чтобы решить эту проблему, Серон и Петерсен объединились с соавторами статьи Гауравом Гарди и Метином Ситти из Института интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, Германия. Гарди и Ситти специализируются на разработке микросистем, управляемых магнитными полями.

«Сложность заключается в том, как обеспечить полезное поведение в рое роботов, у которых нет средств вычисления, восприятия или связи», — сказал Петерсен. «В нашей последней статье мы показали, что, используя единый глобальный сигнал, мы можем активировать роботов, в свою очередь влияя на их парные взаимодействия для создания коллективного движения, контактных и бесконтактных манипуляций с объектами. Теперь мы показали, что мы можем расширить этот репертуар поведения еще больше, просто используя вместе микророботов разного размера, так что их парные взаимодействия становятся асимметричными».

Микророботы в данном случае представляют собой напечатанные на 3D-принтере полимерные диски, каждый шириной примерно с человеческий волос, покрытые тонким слоем ферромагнитного материала методом напыления и помещенные в бассейн с водой шириной 1,5 сантиметра.

Исследователи применили два ортогональных внешних колеблющихся 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, вызвало ряд магнитных, гидродинамических и капиллярных сил.

«Изменяя глобальное магнитное поле , мы можем изменить относительную величину 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, рассеиваются и перемещаются. Исследователи смогли: изменить общую форму роя с круглой на эллиптическую; заставить микророботов одинакового размера объединяться в подгруппы; и отрегулировать расстояние между отдельными микророботами, чтобы рой мог коллективно захватывать и изгонять внешние объекты.

«Причина, по которой мы всегда рады, когда системы способны к заключению в клетку и изгнанию, заключается в том, что вы можете, например, выпить пузырек с маленькими микророботами, которые полностью инертны к вашему человеческому телу, посадить их 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».

Церон и Петерсен использовали модель роящегося осциллятора — или роевого генератора — чтобы точно охарактеризовать, как асимметричное взаимодействие между дисками разного размера способствует их самоорганизации.

Теперь, когда команда показала, что роевик подходит для такой сложной системы, они надеются, что модель также можно использовать для прогнозирования нового и ранее невиданного поведения роев.

«С помощью модели роя мы можем абстрагироваться от физических взаимодействий и обобщить их как фазовые взаимодействия между роящимися осцилляторами, что означает, что мы можем применить эту модель или аналогичные модели для характеристики поведения в различных роях микророботов», — сказал Церон, в настоящее время постдокторант Массачусетского технологического института. «Теперь мы можем разрабатывать и изучать коллективное поведение магнитных микророботов и, возможно, использовать модель роя для прогнозирования поведения, которое станет возможным благодаря будущим конструкциям этих микророботов».

«В текущем исследовании мы программировали различия между приложенными силами через размер микророботов, но у нас все еще есть большое пространство параметров для изучения», — сказал он. «Я надеюсь, что это первое в длинной череде исследований, в которых мы используем неоднородность морфологии микророботов для выявления более сложного коллективного поведения».

Теги: нанороботы, полимеры, принтер, робот

В тренде