微型机器人集体展示了多种多样的运动模式

马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS)、康奈尔大学和上海交通大学的研究人员开发出了一组微型机器人，它们可以以任何想要的形式移动。微型粒子能够快速而稳健地重新配置其群体行为。漂浮在水面上的多功能微型机器人圆盘可以绕圈，跳布吉舞，束成一团，像气体一样散开，或者像绳子上的珠子一样形成一条直线。

每个机器人都比头发丝略大。它们是用聚合物3D打印出来的，然后在上面涂上一层薄薄的钴。由于金属的存在，微型机器人变成了微型磁铁。同时，当电流流过线圈时，线圈会在装置周围产生磁场。磁场允许粒子在一厘米宽的水池周围被精确地操纵。例如，当它们排成一行时，研究人员可以移动机器人，让它们在水中“写”字母。MPI-IS的Gaurav Gardi和Metin Sitti教授，康奈尔大学的Steven Ceron和Kirstin Petersen教授以及上海交通大学的王文东教授的研究项目“具有可重构形态、行为和功能的微型机器人群体发表在2022年4月26日的《自然通讯》上。

集体行为源于机器人之间的相互作用

集体行为和群体模式在自然界随处可见。一群鸟表现出群体行为，一群鱼也是如此。机器人也可以被编程成成群行动——而且已经被看到在这方面做得相当突出。一家科技公司最近展示了一场无人机灯光秀，通过为数百架无人机编程并让它们并排飞行，在夜空中创造出惊人的图案，该公司赢得了一项吉尼斯世界纪录。蜂群中的每架无人机都配备了计算能力，可以在每个可能的方向上操纵它。但是，如果单个粒子非常小，以至于无法进行计算呢?当一个机器人只有300微米宽时，人们无法用算法对它进行编程。

有三种不同的力量在起作用，以弥补计算的不足。一个是磁力。极性相反的两块磁铁相互吸引。两个相同的磁极相互排斥。第二个力是流体环境;圆盘周围的水。当粒子在水的漩涡中游动时，它们会取代水，并影响系统中周围的其他粒子。漩涡的速度和大小决定了粒子如何相互作用。第三，如果两个粒子彼此相邻漂浮，它们倾向于向对方漂移:它们以某种方式弯曲水面，使它们慢慢地聚集在一起。科学家和谷物爱好者称之为恭喜恭喜效应如果你让两个麦圈浮在牛奶上，它们很快就会撞在一起。另一方面，这种效应也会导致两件事互相排斥(试试发夹和麦圈)。

三种力允许可重构性

科学家们利用这三种力量为几十个微型机器人创造了一个协调的集体运动模式，作为一个系统。一段视频(见下文)展示了科学家们如何引导机器人跑酷，展示出最适合障碍物的队形，例如，当它们进入一个狭窄的通道时，微型机器人排成一列纵队，出来时又散开。科学家们还可以让机器人单独或成对跳舞。此外，他们还展示了如何将一个微小的塑料球放入水容器中，然后将机器人聚集成一团来推动漂浮的球。他们可以把微小的颗粒放在两个齿轮里，并以一种使两个齿轮都旋转的方式移动颗粒。更有序的模式也可能是每个粒子与其相邻粒子保持相同的距离。所有这些不同的运动模式和形式都是通过外部计算实现的:一个算法被编程来创建一个旋转或振荡的磁场，从而触发所需的运动和可重构性。

“根据我们改变磁场的方式，圆盘的行为方式也不同。我们调整一个又一个力，直到得到我们想要的运动。如果我们把线圈内的磁场旋转得太剧烈，导致水运动的力就会太大，圆盘就会远离彼此。如果我们旋转得太慢，那么吸引粒子的啦啦队效应就会太强。我们需要在这三者之间找到平衡。”他是MPI-IS物理智能系的博士生，与康奈尔大学的Steven Ceron一起是该出版物的两位主要作者之一。

未来生物医学和环境应用的典范

未来，这种微型机器人群体将变得更小。“我们的目标是开发一个更小的系统，由只有一微米大小的颗粒组成。这些集合体有可能进入人体内，在复杂的环境中穿行，递送药物，例如，堵塞或疏通通道，或刺激难以到达的区域，”加尔迪说。

“在运动行为之间进行稳健转换的机器人群体非常罕见。然而，这种多用途系统有利于在复杂环境中操作。我们非常高兴我们成功地开发了这样一个健壮的、按需可重构的集合。我们把我们的研究视为未来生物医学应用、微创治疗或环境修复的蓝图，”Metin Sitti说，他是物理智能部门的负责人，也是小型机器人和物理智能领域的先驱。

-编辑克里斯Vavra，网络内容经理，控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com．

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