Essaim de microrobots eux-mêmes

L'Université de Cornell

ITHACA, NY - Une collaboration de recherche entre Cornell et l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents a trouvé un moyen efficace d'étendre le comportement collectif des microrobots en essaim : le mélange de différentes tailles de robots à l'échelle du micron leur permet de s'auto-organiser en divers modèles qui peuvent être manipulés lorsqu'un champ magnétique est appliqué. La technique permet même à l'essaim de "mettre en cage" des objets passifs puis de les expulser.

L'approche peut aider à informer comment les futurs microrobots pourraient effectuer une libération ciblée de médicaments dans laquelle des lots de microrobots transportent et libèrent un produit pharmaceutique dans le corps humain.

L'article de l'équipe, "Programmable Self-Organization of Heterogeneous Microrobot Collectives", a été publié le 5 juin dans Actes de l'Académie nationale des sciences.

L'auteur principal est Steven Ceron, Ph.D. '22, qui a travaillé dans le laboratoire de la co-auteure principale de l'article, Kirstin Petersen, professeure adjointe et boursière Aref et Manon Lahham du département de génie électrique et informatique de Cornell Engineering.

Le laboratoire d'intelligence incorporée collective de Petersen a étudié une gamme de méthodes - des algorithmes et du contrôle classique à l'intelligence physique - pour amener les grands collectifs de robots à se comporter intelligemment, souvent en tirant parti des interactions des robots avec leur environnement et entre eux. Cependant, cette approche est extrêmement difficile lorsqu'elle est appliquée à des technologies à micro-échelle, qui ne sont pas assez grandes pour accueillir le calcul embarqué.

Pour relever ce défi, Ceron et Petersen se sont associés aux co-auteurs de l'article, Gaurav Gardi et Metin Sitti, de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart, en Allemagne. Gardi et Sitti se spécialisent dans le développement de systèmes à micro-échelle pilotés par des champs magnétiques.

"La difficulté est de savoir comment activer des comportements utiles dans un essaim de robots qui n'ont aucun moyen de calcul, de détection ou de communication", a déclaré Petersen. "Dans notre dernier article, nous avons montré qu'en utilisant un seul signal global, nous pouvions actionner des robots, affectant à leur tour leurs interactions par paires pour produire un mouvement collectif, une manipulation d'objets basée sur le contact et sans contact. Maintenant, nous avons montré que nous pouvons élargissez encore plus ce répertoire de comportements, simplement en utilisant ensemble différentes tailles de microrobots, de sorte que leurs interactions par paires deviennent asymétriques. »

Les microrobots dans ce cas sont des disques de polymère imprimés en 3D, chacun à peu près de la largeur d'un cheveu humain, qui ont été recouverts par pulvérisation d'une fine couche d'un matériau ferromagnétique et placés dans une piscine d'eau de 1,5 centimètre de large.

Les chercheurs ont appliqué deux champs magnétiques oscillants externes orthogonaux et ajusté leur amplitude et leur fréquence, faisant tourner chaque microrobot sur son axe central et générer ses propres flux. Ce mouvement a produit à son tour une série de forces magnétiques, hydrodynamiques et capillaires.

"En modifiant le champ magnétique global, nous pouvons modifier les amplitudes relatives de ces forces", a déclaré Petersen. "Et cela change le comportement global de l'essaim."

En utilisant des microrobots de différentes tailles, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient contrôler le niveau d'auto-organisation de l'essaim et la façon dont les microrobots s'assemblaient, se dispersaient et se déplaçaient. Les chercheurs ont pu : changer la forme générale de l'essaim de circulaire à elliptique ; forcer des microrobots de taille similaire à se regrouper en sous-groupes ; et ajuster l'espacement entre les microrobots individuels afin que l'essaim puisse collectivement capturer et expulser des objets externes.

"La raison pour laquelle nous sommes toujours excités lorsque les systèmes sont capables de mise en cage et d'expulsion est que vous pouvez, par exemple, boire un flacon avec de petits microrobots complètement inertes pour votre corps humain, les mettre en cage et transporter des médicaments, puis amenez-le au bon endroit dans votre corps et relâchez-le », a déclaré Petersen. "Ce n'est pas une manipulation parfaite d'objets, mais dans les comportements de ces systèmes à micro-échelle, nous commençons à voir de nombreux parallèles avec des robots plus sophistiqués malgré leur manque de calcul, ce qui est assez excitant."

Ceron et Petersen ont utilisé un modèle d'oscillateur d'essaimage - ou swarmalator - pour caractériser précisément comment les interactions asymétriques entre des disques de tailles différentes ont permis leur auto-organisation.

Maintenant que l'équipe a montré que le swarmalator s'adapte à un système aussi complexe, ils espèrent que le modèle pourra également être utilisé pour prédire des comportements d'essaimage nouveaux et inédits.

"Avec le modèle swarmalator, nous pouvons faire abstraction des interactions physiques et les résumer en interactions de phase entre les oscillateurs d'essaimage, ce qui signifie que nous pouvons appliquer ce modèle, ou des modèles similaires, pour caractériser les comportements dans divers essaims de microrobots", a déclaré Ceron, actuellement un stagiaire postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology. "Nous pouvons maintenant développer et étudier les comportements collectifs des microrobots magnétiques et éventuellement utiliser le modèle swarmalator pour prédire les comportements qui seront possibles grâce aux futures conceptions de ces microrobots."

"Dans l'étude actuelle, nous programmions des différences entre les forces exercées à travers la taille des microrobots, mais nous avons encore un grand espace de paramètres à explorer", a-t-il déclaré. "J'espère que cela représente la première d'une longue série d'études dans lesquelles nous exploitons l'hétérogénéité de la morphologie des microrobots pour susciter des comportements collectifs plus complexes."

La recherche a été soutenue par la Max Planck Society, la National Science Foundation, la Fulbright Germany Scholarship et la Packard Foundation Fellowship for Science and Engineering.

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Actes de l'Académie nationale des sciences

10.1073/pnas.2221913120

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