Microrobot in sciamatura

Università Cornell

ITHACA, NY -- Una collaborazione di ricerca tra la Cornell e il Max Planck Institute for Intelligent Systems ha trovato un modo efficace per espandere il comportamento collettivo dei microrobot in sciamatura: mescolare diverse dimensioni di robot su scala micrometrica consente loro di auto-organizzarsi in diversi modelli che possono essere manipolati quando viene applicato un campo magnetico. La tecnica consente addirittura allo sciame di “ingabbiare” oggetti passivi per poi espellerli.

L’approccio potrebbe aiutare a capire come i futuri microrobot potrebbero eseguire il rilascio mirato di farmaci in cui lotti di microrobot trasportano e rilasciano un prodotto farmaceutico nel corpo umano.

L'articolo del team, "Auto-organizzazione programmabile di collettivi di microrobot eterogenei", è stato pubblicato il 5 giugno in Proceedings of the National Academy of Sciences.

L'autore principale è Steven Ceron, Ph.D. '22, che ha lavorato nel laboratorio del co-autore senior dell'articolo, Kirstin Petersen, professore assistente e membro della facoltà Aref e Manon Lahham presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica della Cornell Engineering.

Il Collective Emfilled Intelligence Lab di Petersen ha studiato una serie di metodi – dagli algoritmi e dal controllo classico all'intelligenza fisica – per indurre grandi collettivi di robot a comportarsi in modo intelligente, spesso sfruttando le interazioni dei robot con il loro ambiente e tra loro. Tuttavia, questo approccio è estremamente difficile se applicato alle tecnologie su microscala, che non sono abbastanza grandi da ospitare i calcoli a bordo.

Per affrontare questa sfida, Ceron e Petersen hanno collaborato con i coautori dello studio, Gaurav Gardi e Metin Sitti, dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti di Stoccarda, in Germania. Gardi e Sitti sono specializzati nello sviluppo di sistemi su microscala guidati da campi magnetici.

"La difficoltà è come abilitare comportamenti utili in uno sciame di robot che non hanno mezzi di calcolo, rilevamento o comunicazione", ha detto Petersen. "Nel nostro ultimo articolo, abbiamo dimostrato che utilizzando un singolo segnale globale potremmo azionare i robot, influenzando a loro volta le loro interazioni a coppie per produrre movimento collettivo e manipolazione di oggetti basata sul contatto e senza contatto. Ora abbiamo dimostrato che possiamo espandere ulteriormente quel repertorio di comportamenti, semplicemente utilizzando insieme microrobot di diverse dimensioni, in modo tale che le loro interazioni a coppie diventino asimmetriche."

I microrobot in questo caso sono dischi polimerici stampati in 3D, ciascuno largo all’incirca quanto un capello umano, che sono stati rivestiti con un sottile strato di materiale ferromagnetico e inseriti in una pozza d’acqua larga 1,5 centimetri.

I ricercatori hanno applicato due campi magnetici oscillanti esterni ortogonali e ne hanno regolato l’ampiezza e la frequenza, facendo ruotare ciascun microrobot sul proprio asse centrale e generando i propri flussi. Questo movimento a sua volta ha prodotto una serie di forze magnetiche, idrodinamiche e capillari.

"Cambiando il campo magnetico globale, possiamo cambiare la grandezza relativa di quelle forze", ha detto Petersen. "E questo cambia il comportamento generale dello sciame."

Utilizzando microrobot di varie dimensioni, i ricercatori hanno dimostrato di poter controllare il livello di auto-organizzazione dello sciame e il modo in cui i microrobot si assemblano, si disperdono e si muovono. I ricercatori sono stati in grado di: modificare la forma complessiva dello sciame da circolare a ellittica; forzare microrobot di dimensioni simili a raggrupparsi in sottogruppi; e regolare la spaziatura tra i singoli microrobot in modo che lo sciame possa catturare ed espellere collettivamente oggetti esterni.

"Il motivo per cui siamo sempre entusiasti quando i sistemi sono in grado di ingabbiare ed espellere è che potresti, ad esempio, bere una fiala con piccoli microrobot completamente inerti per il tuo corpo umano, farli ingabbiare e trasportare medicine, e poi portalo al punto giusto nel tuo corpo e rilascialo," ha detto Petersen. "Non si tratta di una manipolazione perfetta degli oggetti, ma nei comportamenti di questi sistemi su microscala stiamo iniziando a vedere molti paralleli con robot più sofisticati nonostante la loro mancanza di calcolo, il che è piuttosto entusiasmante."