400-099-1872
康奈爾大(dà)學和(hé)馬克斯·普朗克智能系統研究所的(de)一項研究合作發現了(le)一種有效的(de)方法來(lái)擴展群集微型機器人(rén)的(de)集體行爲：将不同尺寸的(de)微米級機器人(rén)混合在一起，使它們能夠自我組織成不同的(de)模式，在施加磁場(chǎng)時(shí)可(kě)以進行操作。該技術甚至允許蜂群“籠”住被動物(wù)體，然後将其驅逐出去。
該方法可(kě)能有助于告知未來(lái)的(de)微型機器人(rén)如何進行靶向藥物(wù)釋放，其中一批微型機器人(rén)在人(rén)體内運輸和(hé)釋放藥物(wù)。
該團隊的(de)論文《異構微型機器人(rén)集體的(de)可(kě)編程自組織》于6月(yuè)5日發表在《美(měi)國國家科學院院刊》上。
主要作者是Steven Ceron，博士，22歲，曾在該論文的(de)共同高(gāo)級作者Kirstin Petersen的(de)實驗室工作，Kirstin彼得(de)森是康奈爾工程學院電氣與計算(suàn)機工程系的(de)助理(lǐ)教授和(hé)Aref and Manon Lahham學院研究員(yuán)。
Petersen的(de)集體體現智能實驗室一直在研究一系列方法，從算(suàn)法、經典控制到物(wù)理(lǐ)智能，通(tōng)常通(tōng)過利用(yòng)機器人(rén)與環境和(hé)彼此之間的(de)互動，誘使大(dà)型機器人(rén)集體做(zuò)出智能行爲。然而，這(zhè)種方法在應用(yòng)于微型技術時(shí)非常困難，因爲微型技術不夠大(dà)，無法容納闆載計算(suàn)。
爲了(le)應對(duì)這(zhè)一挑戰，Ceron和(hé)Petersen與該論文的(de)合著者、德國斯圖加特馬克斯·普朗克智能系統研究所的(de)Gaurav Gardi和(hé)Metin Sitti合作。Gardi和(hé)Sitti專門開發由磁場(chǎng)驅動的(de)微尺度系統。
彼得(de)森說：“困難在于如何在一群沒有計算(suàn)、傳感或通(tōng)信手段的(de)機器人(rén)中實現有用(yòng)的(de)行爲。”。“在我們的(de)上一篇論文中，我們表明(míng)，通(tōng)過使用(yòng)單個(gè)全局信号，我們可(kě)以驅動機器人(rén)，進而影(yǐng)響它們的(de)成對(duì)交互，從而産生集體運動、基于接觸和(hé)非接觸的(de)物(wù)體操縱。現在，我們已經表明(míng)，我們可(kě)以進一步擴展這(zhè)一行爲，隻需将不同尺寸的(de)微型機器人(rén)一起使用(yòng)，使它們的(de)成對(duì)相互作用(yòng)變得(de)不對(duì)稱。”
這(zhè)種情況下(xià)的(de)微型機器人(rén)是3D打印的(de)聚合物(wù)圓盤，每個(gè)圓盤大(dà)約有人(rén)頭發的(de)寬度，上面濺射了(le)一層薄薄的(de)鐵磁材料，并放置在1.5厘米寬的(de)水(shuǐ)池中。
研究人(rén)員(yuán)施加了(le)兩個(gè)正交的(de)外部振蕩磁場(chǎng)，并調整了(le)它們的(de)振幅和(hé)頻(pín)率，使每個(gè)微型機器人(rén)在其中心軸上旋轉并産生自己的(de)流動。這(zhè)種運動反過來(lái)又産生了(le)一系列磁力、流體動力和(hé)毛細管力。
彼得(de)森說：“通(tōng)過改變全球磁場(chǎng)，我們可(kě)以改變這(zhè)些力的(de)相對(duì)大(dà)小。”。“這(zhè)改變了(le)蜂群的(de)整體行爲。”
通(tōng)過使用(yòng)不同大(dà)小的(de)微型機器人(rén)，研究人(rén)員(yuán)證明(míng)了(le)他(tā)們可(kě)以控制群體的(de)自組織水(shuǐ)平，以及微型機器人(rén)如何組裝、分(fēn)散和(hé)移動。研究人(rén)員(yuán)能夠：将蜂群的(de)整體形狀從圓形變爲橢圓形；迫使大(dà)小相似的(de)微型機器人(rén)聚集成小組；并調整單個(gè)微型機器人(rén)之間的(de)間距，使機器人(rén)群能夠共同捕獲和(hé)排出外部物(wù)體。
彼得(de)森說：“當這(zhè)些系統能夠鎖住和(hé)排出藥物(wù)時(shí)，我們總是感到興奮的(de)原因是，例如，你可(kě)以用(yòng)對(duì)人(rén)體完全惰性的(de)小型微型機器人(rén)喝一小瓶，讓它們鎖住和(hé)運輸藥物(wù)，然後把它帶到你體内的(de)正确位置并釋放。”。“這(zhè)不是對(duì)物(wù)體的(de)完美(měi)操縱，但在這(zhè)些微型系統的(de)行爲中，我們開始看到許多(duō)與更複雜(zá)的(de)機器人(rén)的(de)相似之處，盡管它們缺乏計算(suàn)，這(zhè)非常令人(rén)興奮。”
Ceron和(hé)Petersen使用(yòng)群集振蕩器模型（或稱群集振蕩器）來(lái)精确描述不同大(dà)小磁盤之間的(de)不對(duì)稱相互作用(yòng)是如何實現其自組織的(de)。
既然該團隊已經證明(míng)群集器适合這(zhè)樣一個(gè)複雜(zá)的(de)系統，他(tā)們希望該模型也(yě)可(kě)以用(yòng)于預測新的(de)和(hé)以前從未見過的(de)群集行爲。
“有了(le)群集器模型，我們可(kě)以抽象出物(wù)理(lǐ)相互作用(yòng)，并将其總結爲群集振蕩器之間的(de)相位相互作用(yòng)，這(zhè)意味著(zhe)我們可(kě)以應用(yòng)這(zhè)個(gè)模型或類似的(de)模型來(lái)表征不同微機器人(rén)群的(de)行爲，”現任麻省理(lǐ)工學院博士後的(de)塞隆說。“現在，我們可(kě)以開發和(hé)研究磁性微型機器人(rén)的(de)集體行爲，并可(kě)能使用(yòng)群集器模型來(lái)預測這(zhè)些微型機器人(rén)未來(lái)設計中可(kě)能出現的(de)行爲。”
他(tā)說：“在目前的(de)研究中，我們通(tōng)過微型機器人(rén)的(de)尺寸來(lái)編程施加力之間的(de)差異，但我們仍有很大(dà)的(de)參數空間需要探索。”。“我希望這(zhè)是我們利用(yòng)微型機器人(rén)形态的(de)異質性來(lái)引發更複雜(zá)的(de)集體行爲的(de)一系列研究中的(de)第一項。”
這(zhè)項研究得(de)到了(le)馬克斯·普朗克學會、國家科學基金會、富布賴特德國獎學金和(hé)帕卡德基金會科學與工程獎學金的(de)支持。
