Enxames de microrrobôs se auto-organizam em diversos padrões

TX, 05/06/2023 

Por David Nutt 

Uma colaboração de pesquisa entre Cornell e o Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes encontrou uma maneira eficiente de expandir o comportamento coletivo de enxames de microrrobôs: a mistura de tamanhos diferentes dos robôs em escala de mícron, permite que eles se auto-organizem em diversos padrões que podem ser manipulados quando um campo magnético é aplicado. A técnica ainda permite que o enxame "enjaule" objetos passivos e depois os expulse.

A abordagem pode ajudar a informar como futuros microrrobôs poderiam realizar a liberação de drogas direcionadas, em que lotes de microrobôs transportam e liberam um produto farmacêutico no corpo humano.

O artigo da equipe, "Programmable Self-Organization of Heterogeneous Microrobot Collectives", foi publicado em 5 de junho na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

O principal autor é Steven Ceron, Ph.D. '22, que trabalhou no laboratório da co-autora sênior do artigo, Kirstin Petersen, professora assistente e bolsista do corpo docente da Aref e Manon Lahham no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Cornell Engineering.

O Laboratório de Inteligência Corporificada Coletiva de Petersen tem estudado uma variedade de métodos – de algoritmos e controle clássico a inteligência física – para persuadir grandes coletivos de robôs a se comportarem de maneira inteligente, geralmente aproveitando as interações dos robôs com seu ambiente e entre si. No entanto, essa abordagem é extremamente difícil quando aplicada a tecnologias de microescala, que não são grandes o suficiente para acomodar a computação integrada.

Para enfrentar esse desafio, Ceron e Petersen se uniram aos coautores do artigo, Gaurav Gardi e Metin Sitti, do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes em Stuttgart, Alemanha. Gardi e Sitti são especializados no desenvolvimento de sistemas em microescala movidos por campos magnéticos.

"A dificuldade é como habilitar comportamentos úteis em um enxame de robôs que não possuem meios de computação, detecção ou comunicação", disse Petersen. "Em nosso último artigo, mostramos que, usando um único sinal global, poderíamos acionar robôs, por sua vez, afetando suas interações pareadas para produzir movimento coletivo, manipulação de objetos baseada em contato e sem contato. Agora, mostramos que podemos expandir ainda mais esse repertório de comportamentos, simplesmente usando tamanhos diferentes de microrrobôs juntos, de modo que suas interações pareadas se tornem assimétricas."

Os microrrobôs, neste caso, são discos de polímero impressos em 3D, cada um com aproximadamente a largura de um cabelo humano, que foram revestidos com uma fina camada de material ferromagnético e colocados em uma piscina de água de 1,5 centímetro de largura.

Os pesquisadores aplicaram dois campos magnéticos oscilantes externos ortogonais e ajustaram sua amplitude e frequência, fazendo com que cada microrobô girasse em seu eixo central e gerasse seus próprios fluxos. Este movimento, por sua vez, produziu uma série de forças magnéticas, hidrodinâmicas e capilares.

"Mudando o campo magnético global, podemos mudar as magnitudes relativas dessas forças", disse Petersen. "E isso muda o comportamento geral do enxame."

Usando microrrobôs de tamanhos variados, os pesquisadores demonstraram que podiam controlar o nível de auto-organização do enxame e como os microrobôs se reuniam, se dispersavam e se moviam. Os pesquisadores foram capazes de: alterar a forma geral do enxame de circular para elíptica; forçar microrrobôs de tamanhos semelhantes a se agruparem em subgrupos; e ajustar o espaçamento entre microrrobôs individuais para que o enxame possa capturar e expulsar objetos externos coletivamente.

"A razão pela qual sempre ficamos entusiasmados quando os sistemas são capazes de enjaular e expelir é que você pode, por exemplo, beber um frasco com pequenos microrrobôs que são completamente inertes ao seu corpo humano, fazer com que enjaulem e transportem remédios e depois traga-o para o ponto certo em seu corpo e solte-o", disse Petersen. “Não é uma manipulação perfeita de objetos, mas nos comportamentos desses sistemas em microescala estamos começando a ver muitos paralelos com robôs mais sofisticados, apesar de sua falta de computação, o que é bastante empolgante”.

Ceron e Petersen usaram um modelo oscilador de enxames – ou swarmalator – para caracterizar precisamente como as interações assimétricas entre discos de tamanhos diferentes permitiram sua auto-organização.

Agora que a equipe mostrou que o Swarmalator se encaixa em um sistema tão complexo, eles esperam que o modelo também possa ser usado para prever novos e inéditos comportamentos de enxame.

"Com o modelo Swarmalator, podemos abstrair as interações físicas e resumi-las como interações de fase entre osciladores de enxames, o que significa que podemos aplicar este modelo, ou outros semelhantes, para caracterizar os comportamentos em diversos enxames de microrobôs", disse Ceron, atualmente um pós-doutorado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Agora podemos desenvolver e estudar comportamentos coletivos de microrrobôs magnéticos, e possivelmente usar o modelo Swarmalator, para prever comportamentos que serão possíveis por meio de projetos futuros desses microrobôs”.

“No estudo atual, estávamos programando as diferenças entre as forças exercidas por meio do tamanho dos microrrobôs, mas ainda temos um grande espaço de parâmetros a explorar”, disse ele. “Espero que isso represente o primeiro de uma longa linha de estudos em que exploramos a heterogeneidade na morfologia dos microrobôs para obter comportamentos coletivos mais complexos”.

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Fonte:https://techxplore.com/news/2023-06-swarming-microrobots-self-organize-diverse-patterns.html