Investigadores del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS), la Universidad de Cornell y la Universidad Jiao Tong de Shanghai han desarrollado colectivos de microrobots que pueden moverse en cualquier formación deseada. Las partículas en miniatura son capaces de reconfigurar su comportamiento de enjambre de forma rápida y robusta. Flotando en la superficie del agua, los versátiles discos microrobóticos pueden dar vueltas en círculos, bailar el boogie, agruparse en un grupo, extenderse como el gas o formar una línea recta como cuentas en una cuerda.
Cada robot es un poco más grande que el ancho de un cabello. Se imprimen en 3D con un polímero y luego se recubren con una fina capa superior de cobalto. Gracias al metal los microrobots se convierten en imanes en miniatura. Mientras tanto, las bobinas de alambre que crean un campo magnético cuando la electricidad fluye a través de ellas rodean la instalación. El campo magnético permite que las partículas sean dirigidas con precisión alrededor de un charco de agua de un centímetro de ancho. Cuando forman una línea, por ejemplo, los investigadores pueden mover los robots de tal manera que «escriban» letras en el agua. El proyecto de investigación de Gaurav Gardi y el Prof. Metin Sitti de MPI-IS, Steven Ceron y la Prof. Kirstin Petersen de la Universidad de Cornell y el Prof. Wendong Wang de la Universidad Shanghai Jiao Tong titulado «Colectivos de microrobots con morfologías, comportamientos y funciones reconfigurables» fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza el 26 de abril de 2022.
El comportamiento colectivo surge de las interacciones entre los robots.
El comportamiento colectivo y los patrones de enjambre se encuentran en todas partes en la naturaleza. Una bandada de pájaros exhibe un comportamiento de enjambre, al igual que un banco de peces. Los robots también se pueden programar para actuar en enjambres, y se ha visto que lo hacen de manera bastante destacada. Una empresa de tecnología presentó recientemente un espectáculo de luces con drones que ganó un récord mundial Guinness al programar varios cientos de drones y hacerlos volar uno al lado del otro, creando patrones asombrosos en el cielo nocturno. Cada dron en este enjambre estaba equipado con dirección asistida computacional en todas las direcciones posibles. Pero, ¿y si la única partícula es tan pequeña que el cálculo no es una opción? Cuando un robot tiene solo 300 micrómetros de ancho, no se puede programar con un algoritmo.
Tres fuerzas diferentes están en juego para compensar la falta de cálculo. Una es la fuerza magnética. Dos imanes con polos opuestos se atraen. Dos polos idénticos se repelen. La segunda fuerza es el entorno fluido; el agua alrededor de los discos. Cuando las partículas nadan en un remolino de agua, desplazan el agua y afectan a las demás partículas circundantes en el sistema. La velocidad del remolino y su magnitud determinan cómo interactúan las partículas. En tercer lugar, si dos partículas flotan una al lado de la otra, tienden a desplazarse una hacia la otra: doblan la superficie del agua de tal manera que se juntan lentamente. Los científicos y los amantes de los cereales llaman a esto el efecto animadora: si dejas que dos Cheerios floten en la leche, pronto chocarán entre sí. Por otro lado, este efecto también puede hacer que dos cosas se repelan entre sí (pruebe con una horquilla y una cheerio).
Tres fuerzas permiten la reconfigurabilidad
Los científicos utilizan las tres fuerzas para crear un patrón de movimiento colectivo y coordinado para varias docenas de microrobots como un solo sistema. Un video (https://youtu.be/q91AWmTBzG8) muestra cómo los científicos conducen a los robots a través de un recorrido, mostrando la formación que mejor se adapta a la carrera de obstáculos, por ejemplo, cuando ingresan a un pasaje estrecho, los microrobots se alinean en fila india y dispersarse de nuevo cuando salen. Los científicos también pueden hacer bailar a los robots, solos o en parejas. Además, muestran cómo colocan una pequeña bola de plástico en el recipiente de agua y luego agregan los robots en un grupo para empujar la bola flotante. Pueden colocar las partículas diminutas dentro de dos engranajes y mover las partículas de una manera que haga que ambos engranajes giren. También es posible un patrón más ordenado con cada partícula manteniendo una distancia idéntica a su vecina. Todos estos diferentes modos de locomoción y formaciones se logran mediante computación externa: se programa un algoritmo para crear un campo magnético giratorio u oscilante que desencadena el movimiento y la reconfigurabilidad deseados.
«Dependiendo de cómo cambiamos los campos magnéticos, los discos se comportan de manera diferente. Estamos sintonizando una fuerza y luego otra hasta que conseguimos el movimiento que queremos. Si rotamos el campo magnético dentro de las bobinas con demasiada fuerza, la fuerza que es hacer que el agua se mueva es demasiado fuerte y los discos se alejan entre sí. Si rotamos demasiado lento, entonces el efecto Cheerio que atrae las partículas es demasiado fuerte. Necesitamos encontrar el equilibrio entre los tres», explica Gaurav Gardi. . Él es un Ph.D. estudiante del departamento de Inteligencia Física de MPI-IS y uno de los dos autores principales de la publicación junto con Steven Ceron de la Universidad de Cornell.
Un modelo para futuras aplicaciones biomédicas y medioambientales
El escenario futuro para tales colectivos microrobóticos es volverse aún más pequeños. «Nuestra visión es desarrollar un sistema que sea aún más pequeño, hecho de partículas de solo un micrómetro de tamaño. Estos colectivos podrían potencialmente ingresar al cuerpo humano y navegar a través de entornos complejos para administrar medicamentos, por ejemplo, para bloquear o desbloquear pasajes, o para estimular un área de difícil acceso», dice Gardi.
«Los colectivos de robots con transiciones robustas entre los comportamientos de locomoción son muy raros. Sin embargo, estos sistemas versátiles son ventajosos para operar en entornos complejos. Estamos muy contentos de haber tenido éxito en el desarrollo de un colectivo reconfigurable bajo demanda tan robusto. Vemos nuestra investigación como un modelo para futuras aplicaciones biomédicas, tratamientos mínimamente invasivos o remediación ambiental», agrega Metin Sitti, quien dirige el Departamento de Inteligencia Física y es pionero en el campo de la inteligencia física y la robótica a pequeña escala.
