Một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát triển các nhóm robot siêu nhỏ có khả năng di chuyển theo bất kỳ kiểu nào. Các hạt nhỏ có khả năng thay đổi hành vi bầy đàn của chúng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Nghiên cứu được thực hiện với sự cộng tác của Viện Hệ thống Thông minh Max Planck (MPI-IS), Đại học Cornell và Đại học Giao thông Thượng Hải.
Tập thể Microrobot có thể di chuyển theo mọi đội hình
Mỗi robot có chiều rộng bằng một sợi tóc. Chúng được chế tạo từ một loại polymer và sau đó phủ một lớp coban mỏng trên cùng, lớp này sẽ in chúng theo ba chiều. Các microrobot được tạo ra từ tính nhờ kim loại bao quanh chúng. Trong khi đó, các cuộn dây tạo ra từ trường khi dòng điện chạy qua chúng bao quanh hệ thống. Từ trường cho phép các hạt được dẫn hướng chính xác xung quanh một vũng nước rộng 1 cm theo cách này.
Ví dụ, các robot có thể được điều khiển theo cách chúng “viết” các chữ cái trong nước khi chúng tạo thành một dòng. Gaurav Gardi và Metin Sitti từ MPI-IS, Steven Ceron và Kirstin Petersen từ Đại học Cornell, và Wendong Wang từ Đại học Giao thông Thượng Hải đã công bố dự án nghiên cứu của họ mang tên “Tập hợp Microrobot với Hình thái, Hành vi và Chức năng có thể cấu hình lại” trên tạp chí Nature Communications vào ngày 26 tháng 4 , 2022.
Thiên nhiên có rất nhiều hành vi tập thể và mô hình bầy đàn. Một đàn chim cũng như một đàn cá đều thể hiện hành vi bầy đàn. Máy bay không người lái cũng có thể được hướng dẫn hành động theo bầy đàn và người ta đã quan sát thấy chúng làm như vậy nhiều lần.
Một màn trình diễn ánh sáng bằng máy bay không người lái do một doanh nghiệp công nghệ tạo ra gần đây đã giành cho công ty Kỷ lục Guinness Thế giới bằng cách lập trình hàng trăm máy bay không người lái và cho chúng bay cạnh nhau, tạo ra những hình ảnh tuyệt đẹp trên bầu trời đêm. Trong đàn này, mỗi máy bay không người lái đều được trang bị hệ thống lái trợ lực điện toán theo mọi hướng có thể tưởng tượng được. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu hạt đơn lẻ quá nhỏ đến mức phép tính không thể thực hiện được? Người ta không thể mã hóa một robot có chiều rộng nhỏ hơn 300 micromet bằng thuật toán.
Việc thiếu khả năng tính toán đòi hỏi phải sử dụng ba cơ chế bù riêng biệt. Một là lực từ. Nam châm trái dấu hút nhau. Hai cực đối diện thì đẩy nhau. Môi trường chất lỏng, hay nước bao quanh các đĩa, là lực thứ hai tác động. Các hạt di chuyển qua xoáy nước với tốc độ khác nhau, ảnh hưởng đến các hạt xung quanh chúng trong hệ thống. Tốc độ và kích thước của dòng điện ảnh hưởng đến cách các hạt tương tác với nhau.
Cuối cùng, nếu hai hạt nổi cạnh nhau, chúng sẽ có xu hướng chuyển động cùng nhau: chúng uốn cong mặt nước sao cho chúng dần dần hội tụ lại với nhau. Đây được các nhà khoa học và những người yêu thích ngũ cốc gọi là hiệu ứng cổ vũ: nếu bạn cho hai chiếc Cheerios vào sữa, chúng sẽ sớm va vào nhau. Mặt khác, cơ chế này cũng có thể khiến các vật đẩy nhau.
Các nhà nghiên cứu sử dụng cả ba lực để tạo ra mô hình chuyển động chung cho hàng chục robot siêu nhỏ dưới dạng một hệ thống.
Các nhà khoa học điều khiển rô-bốt thông qua parcour như có thể thấy trong video trên, minh họa cách chọn đội hình tốt nhất cho vượt chướng ngại vật, chẳng hạn như khi chúng xuất hiện từ một lối đi chật hẹp, nơi các tập thể rô-bốt vi mô xếp thành một hàng và tách ra. lại. Các nhà nghiên cứu cũng trình diễn cách làm cho máy nhảy theo từng cá nhân hoặc theo cặp. Họ cũng cho thấy cách họ kết hợp nhiều quả bóng nhựa nhỏ thành một cụm để đẩy một quả bóng đi ngang qua.
Họ có thể sắp xếp các mảnh nhỏ bên trong hai bánh răng, khiến cả hai quay tròn. Với việc mỗi hạt duy trì khoảng cách như nhau với hạt lân cận của nó, một mô hình có tổ chức hơn cũng khả thi. Tính toán bên ngoài được sử dụng để lập trình một thuật toán tạo ra từ trường quay hoặc rung tạo ra chuyển động và khả năng cấu hình lại mong muốn.
“Tùy thuộc vào cách chúng ta thay đổi từ trường, các đĩa hoạt động theo một cách khác. Chúng ta đang điều chỉnh lực này rồi lực khác cho đến khi đạt được chuyển động như mong muốn. Nếu chúng ta xoay từ trường bên trong cuộn dây quá mạnh thì lực làm cho nước chuyển động xung quanh quá mạnh và các đĩa sẽ rời xa nhau. Nếu chúng ta quay quá chậm thì hiệu ứng vui vẻ thu hút các hạt sẽ quá mạnh. Chúng ta cần tìm ra sự cân bằng giữa ba yếu tố đó,” Gaurav Gardi, một tiến sĩ. sinh viên khoa Trí tuệ thể chất tại MPI-IS giải thích. Ông là đồng tác giả của nghiên cứu cùng với Steven Ceron từ Đại học Cornell.
Tập thể microrobot có thể hữu ích cho tương lai của các ứng dụng y sinh
Tiềm năng tương lai của các nhóm microrobot là vẫn còn nhỏ hơn nữa.
“Tầm nhìn của chúng tôi là phát triển một hệ thống thậm chí còn nhỏ hơn, được tạo thành từ các hạt nhỏ chỉ một micromet. Những nhóm này có khả năng có thể đi vào bên trong cơ thể con người và di chuyển qua các môi trường phức tạp để vận chuyển thuốc, chẳng hạn như chặn hoặc mở các lối đi hoặc kích thích một khu vực khó tiếp cận,” Gardi nói.
“Các tập thể microrobot có sự chuyển đổi mạnh mẽ giữa các hành vi vận động là rất hiếm. Tuy nhiên, các hệ thống linh hoạt như vậy có lợi thế khi hoạt động trong môi trường phức tạp. Chúng tôi rất vui vì đã thành công trong việc phát triển một tập thể mạnh mẽ và có thể cấu hình lại theo yêu cầu như vậy. Metin Sitti giải thích: “Chúng tôi coi nghiên cứu của mình là kế hoạch chi tiết cho các ứng dụng y sinh trong tương lai, các phương pháp điều trị xâm lấn tối thiểu hoặc xử lý môi trường”.
