微型机器人系列展示了多种多样的运动模式。鸣谢:智能系统的MPI研究马克斯·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已经开发出可以以任何期望的队形移动的微型机器人集体。微型粒子能够快速而稳健地重新配置它们的群体行为。漂浮在水面上的多功能微型机器人盘可以转圈、跳舞、聚成一团、像气体一样展开或像串珠子一样形成直线。每个机器人比一根头发的宽度稍大。它们使用聚合物进行3D打印，然后涂上一层薄薄的钴。多亏了这种金属，微型机器人变成了微型磁铁。同时，当电流通过线圈时，线圈会产生磁场。磁场可以让粒子精确地在一个一厘米宽的水池中运动。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。来自MPI-IS的Gaurav和Sitti f教授、来自Cornell大学的Steven和Kirstin Petersen教授以及来自上海交通大学的Wendong Wang教授的题为“具有可重构形态、行为和功能的微机器人集合”的研究项目于2022年4月26日发表在《自然通讯》上。
机器人之间的互动产生了集体行为
集体行为和群体模式在自然界中随处可见。一群鸟表现出群体行为，就像一群鱼一样。机器人也可以被编程为群体行动——而且已经非常明显地看到这样做了。一家科技公司最近展示了一场无人机灯光秀，通过对数百架无人机进行编程并让它们并排飞行，在夜空中创造出令人惊叹的图案，为该公司赢得了吉尼斯世界纪录。这个群体中的每架无人机都配备了计算能力，可以控制它向任何可能的方向飞行。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，人们无法用算法给它编程。
三种不同的力量在弥补计算的不足。一个是磁力。两块极性相反的磁铁互相吸引。相同的两极互相排斥。第二个力是流体环境；圆盘周围的水。当粒子在漩涡中游泳时，它们会置换水并影响系统中其他周围的粒子。漩涡的速度和大小决定了颗粒之间的相互作用。第三，如果两个粒子彼此相邻漂浮，它们倾向于向彼此漂移:它们以这样一种方式弯曲水面，使得它们慢慢地聚集在一起。科学家和麦片爱好者称之为“麦片效应”:如果你让两个麦片漂浮在牛奶上，它们很快就会撞到一起。另一方面，这种效应也会导致两种东西相互排斥(试试发夹和cheerio)。
三种力量允许重新配置
科学家们使用所有这三种力量为几十个微型机器人创建一个协调的集体运动模式，作为一个系统。一段视频展示了科学家如何驾驶机器人跑酷，展示了最适合障碍跑道的队形，例如，当它们进入狭窄的通道时，微型机器人排成一列，当它们出来时又会散开。
致谢:马克斯·普朗克学会科学家们还可以让机器人单独或成对跳舞。此外，他们展示了如何将一个小塑料球放入水容器中，然后将机器人聚集成一团，推动漂浮的球前进。他们可以将微小的颗粒放入两个齿轮中，并以使两个齿轮都旋转的方式移动颗粒。更有序的图案也是可能的，每个粒子与其邻居保持相同的距离。所有这些不同的运动模式和形态都是通过外部计算实现的:一种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，磁盘的行为会有所不同。我们正在调整一个力，然后是另一个力，直到我们得到我们想要的运动。如果我们太用力地旋转线圈中的磁场，导致水运动的力就太大了，圆盘就会彼此远离。如果我们旋转得太慢，那么吸引粒子的cheerio效应就太强了。我们需要在这三者之间找到平衡，”高拉夫·盖迪解释道。他是MPI-IS物理智能系的博士生，也是该出版物的两位主要作者之一，另外两位是来自康奈尔大学的史蒂文·切隆。
未来生物医学和环境应用的模型
这种微型机器人集体的未来前景是变得更小。“我们的愿景是开发一个更小的系统，由只有一微米大小的粒子组成。盖迪说:“这些集体可能会潜在地进入人体内部，并在复杂的环境中导航以输送药物，例如，堵塞或疏通通道，或刺激难以到达的区域。”。
“在运动行为之间具有稳健过渡的机器人群体非常罕见。然而，这种通用系统有利于在复杂环境中操作。我们很高兴我们成功地开发了这样一个强大的、按需可配置的集体。我们将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，”梅廷·斯蒂补充道，他领导着物理智能部门，是小型机器人和物理智能领域的先驱。
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