Grupos de microrobots con patrones de movimiento versátiles
El comportamiento colectivo y los patrones de enjambre se encuentran en todas partes en la naturaleza. Los robots también se pueden programar para actuar en enjambres. Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, la Universidad de Cornell y la Universidad Jiao Tong de Shanghai han desarrollado colectivos de microrobots, que pueden mover en cada formación que deseen. El proyecto de investigación fue publicado en Nature Communications.
13 de mayo de 2022
Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, la Universidad de Cornell y la Universidad Jiao Tong de Shanghái han desarrollado colectivos de microrobots que pueden moverse en cualquier formación deseada. Las partículas en miniatura son capaces de reconfigurar su comportamiento de enjambre de forma rápida y robusta. Flotando en la superficie del agua, los versátiles discos microrobóticos pueden dar vueltas en círculos, bailar el boogie, agruparse en un grupo, extenderse como gas o formar una línea recta como cuentas en una cuerda.
Cada robot es apenas más grande que el ancho de un cabello. Se imprimen en 3D utilizando un polímero y luego se recubren con una fina capa de cobalto. Gracias al metal, los microrobots se convierten en imanes en miniatura. Mientras tanto, las bobinas de alambre que crean un campo magnético cuando la electricidad fluye a través de ellas rodean la configuración. El campo magnético permite que las partículas se dirijan con precisión alrededor de una piscina de agua de un centímetro de ancho. Cuando forman una línea, por ejemplo, los investigadores pueden mover los robots de tal manera que "escriban" letras en el agua. El proyecto de investigación de Gaurav Gardi y el Prof. Metin Sitti de MPI-IS, Steven Ceron y el Prof. Kirstin Petersen de la Universidad de Cornell y el Prof. Wendong Wang de la Universidad Jiao Tong de Shanghai titulado "Colectivos de Microrobot con morfologías, comportamientos y funciones reconfigurables" se publicó en Nature Communications el 26 de abril de 2022.
El comportamiento colectivo surge de las interacciones entre los robots
El comportamiento colectivo y los patrones de enjambre se encuentran en todas partes en la naturaleza. Una bandada de aves exhibe un comportamiento de enjambre, al igual que un cardumen de peces. Los robots también se pueden programar para actuar en enjambres, y se ha visto hacerlo de manera bastante prominente. Una compañía de tecnología presentó recientemente un espectáculo de luces de drones que le valió a la compañía un Récord Mundial Guinness al programar varios cientos de drones y volarlos uno al lado del otro, creando patrones increíbles en el cielo nocturno. Cada dron en este enjambre estaba equipado con dirección asistida computacional en todas las direcciones posibles. Pero, ¿qué pasa si la partícula individual es tan pequeña que el cálculo no es una opción? Cuando un robot tiene solo 300 micrómetros de ancho, no se puede programar con un algoritmo.
Tres fuerzas diferentes están en juego para compensar la falta de computación. Una es la fuerza magnética. Dos imanes con polos opuestos se atraen. Dos polos idénticos se repelen entre sí. La segunda fuerza es el ambiente fluido; el agua alrededor de los discos. Cuando las partículas nadan en un remolino de agua, desplazan el agua y afectan a las otras partículas circundantes en el sistema. La velocidad del remolino y su magnitud determinan cómo interactúan las partículas. En tercer lugar, si dos partículas flotan una al lado de la otra, tienden a desplazarse una hacia la otra: doblan la superficie del agua de tal manera que se unen lentamente. Los científicos y los amantes de los cereales llaman a esto el efecto cheerio: si dejas que dos cheerios floten en la leche, pronto se toparán entre sí. Por otro lado, este efecto también puede hacer que dos cosas se repelan entre sí (pruebe una horquilla y un cheerio).
Tres fuerzas permiten la reconfigurabilidad
Los científicos usan las tres fuerzas para crear un patrón de movimiento coordinado y colectivo para varias docenas de microrobots como un sistema. Un video (ver más abajo) muestra cómo los científicos dirigen a los robots a través de un parcour, mostrando la formación que mejor se adapta a la carrera de obstáculos, por ejemplo, cuando entran en un pasaje estrecho, los microrobots se alinean en un solo archivo y se dispersan nuevamente cuando salen. Los científicos también pueden hacer bailar a los robots, solos o en pareja. Además, muestran cómo ponen una pequeña bola de plástico en el recipiente de agua y luego agregan los robots en un grupo para empujar la bola flotante. Pueden colocar las partículas diminutas dentro de dos engranajes y mover las partículas de una manera que haga que ambos engranajes giren. Un patrón más ordenado también es posible con cada partícula manteniendo una distancia idéntica a su vecina. Todos estos diferentes modos y formaciones de locomoción se logran a través del cálculo externo: un algoritmo está programado para crear un campo magnético giratorio u oscilante que desencadena el movimiento deseado y la reconfigurabilidad.
"Dependiendo de cómo cambiemos los campos magnéticos, los discos se comportan de una manera diferente. Estamos afinando una fuerza y luego otra hasta que obtenemos el movimiento que queremos. Si rotamos el campo magnético dentro de las bobinas demasiado vigorosamente, la fuerza que está causando que el agua se mueva es demasiado fuerte y los discos se alejan unos de otros. Si rotamos demasiado lento, entonces el efecto cheerio que atrae a las partículas es demasiado fuerte. Necesitamos encontrar el equilibrio entre los tres", explica Gaurav Gardi. Es estudiante de doctorado en el departamento de Inteligencia Física de MPI-IS y uno de los dos autores principales de la publicación junto con Steven Ceron de la Universidad de Cornell.
Un modelo para futuras aplicaciones biomédicas y medioambientales
El escenario futuro para tales colectivos microrobóticos es ir aún más lejos. "Nuestra visión es desarrollar un sistema que sea aún más pequeño, hecho de partículas de solo un micrómetro de pequeño. Estos colectivos podrían potencialmente entrar en el cuerpo humano y navegar a través de entornos complejos para administrar drogas, por ejemplo, para bloquear o desbloquear pasajes, o para estimular un área de difícil acceso ", dice Gardi.
"Los colectivos de robots con transiciones robustas entre comportamientos de locomoción son muy raros. Sin embargo, estos sistemas versátiles son ventajosos para operar en entornos complejos. Estamos muy contentos de haber logrado desarrollar un colectivo reconfigurable tan robusto y bajo demanda. Vemos nuestra investigación como un modelo para futuras aplicaciones biomédicas, tratamientos mínimamente invasivos o remediación ambiental", agrega Metin Sitti, quien dirige el Departamento de Inteligencia Física y es pionero en el campo de la robótica a pequeña escala y la inteligencia física.
