群がるマイクロロボット自身

コーネル大学

ニューヨーク州イサカ -- コーネル大学とマックス・プランク知能システム研究所との共同研究により、群がるマイクロロボットの集団行動を拡大する効率的な方法が発見されました。異なるサイズのミクロンスケールのロボットを混合することで、マイクロロボットは自己組織化して多様なロボットになることが可能になりました。磁場を加えると操作できるパターン。 この技術を使用すると、群れが受動的なオブジェクトを「檻」に入れて、それらを追い出すこともできます。

このアプローチは、マイクロロボットのバッチが人体内で医薬品を輸送し放出する、将来のマイクロロボットが標的薬物放出をどのように実行できるかを知るのに役立つ可能性がある。

同チームの論文「異種マイクロロボット集団のプログラム可能な自己組織化」は、米国科学アカデミー紀要に6月5日に掲載された。

筆頭著者は Steven Ceron 博士です。 彼は論文の共同上級著者であるカースティン・ピーターセン氏の研究室で働いていた。カースティン・ピーターセン氏は、コーネル大学電気・コンピュータ工学部の助教授であり、アーレフ氏とマノン・ラーハム氏のファカルティフェローでもある。

ピーターセン氏の集団身体知能研究所は、アルゴリズムや古典的制御から物理的知能に至るまで、大規模なロボット集団を誘導して知的に行動させるためのさまざまな方法を研究しており、多くの場合、ロボットと環境やロボット相互の相互作用を活用しています。 ただし、このアプローチは、オンボード計算に対応できるほど大きくないマイクロスケール テクノロジに適用すると、非常に困難になります。

この課題に取り組むために、Ceron 氏と Petersen 氏は、ドイツのシュトゥットガルトにあるマックス プランク インテリジェント システム研究所の論文の共著者、Gaurav Gardi 氏と Metin Sitti 氏と協力しました。 Gardi と Sitti は、磁場によって駆動されるマイクロスケール システムの開発を専門としています。

「難しいのは、計算、感知、通信の手段を持たないロボットの群れの中でどうやって有用な行動を可能にするかということだ」とピーターセン氏は言う。 「私たちの前回の論文では、単一のグローバル信号を使用してロボットを作動させ、ロボットのペアごとの相互作用に影響を与えて、集合的な動き、接触ベースおよび非接触ベースのオブジェクトの操作を生成できることを示しました。今回、私たちはできることを示しました。異なるサイズのマイクロロボットを一緒に使用するだけで、そのペアごとの相互作用が非対称になるように、行動のレパートリーをさらに拡大できます。」

この場合のマイクロロボットは、3D プリントされたポリマー ディスクで、それぞれ人間の髪の毛の幅とほぼ同じで、強磁性材料の薄層でスパッタ コーティングされ、幅 1.5 センチメートルの水のプールに設置されます。

研究者らは、2 つの直交する外部振動磁場を適用し、その振幅と周波数を調整することで、各マイクロロボットが中心軸を中心に回転し、独自の流れを生成しました。 この動きにより、一連の磁気力、流体力学、毛細管力が発生します。

「地球規模の磁場を変えることで、それらの力の相対的な大きさを変えることができる」とピーターセン氏は語った。 「そしてそれは群れの全体的な行動を変えます。」

研究者らは、さまざまなサイズのマイクロロボットを使用することで、群れの自己組織化のレベルと、マイクロロボットがどのように集合、分散、移動するかを制御できることを実証した。 研究者らは次のことを行うことができました。 群れの全体的な形状を円形から楕円形に変更します。 同じようなサイズのマイクロロボットを強制的にサブグループに集合させます。 そして、群れが外部の物体を集合的に捕らえて追い出すことができるように、個々のマイクロロボット間の間隔を調整します。

「システムがケージに入れて排出できることに私たちがいつも興奮している理由は、たとえば、人体に対して完全に不活性な小さなマイクロロボットでバイアルを飲み、マイクロロボットにケージに入れて薬を輸送させることができるからです。それを体の正しい位置に持ってきて、放してください」とピーターセン氏は語った。 「これは物体の完璧な操作ではありませんが、これらのマイクロスケール システムの動作には、計算能力がないにもかかわらず、より高度なロボットと多くの類似点が見られ始めており、これは非常に興味深いことです。」

Ceron と Petersen は、群発振動子モデル (またはスウォーマレーター) を使用して、異なるサイズのディスク間の非対称相互作用がどのように自己組織化を可能にするかを正確に特徴付けました。

チームは、スウォーマレーターがこのような複雑なシステムに適合することを示したので、このモデルを使用して、これまで見たことのない新しいスワーミング行動を予測することもできると期待しています。

「スウォーマレーター モデルを使用すると、物理的な相互作用を抽象化し、群がる振動子間の位相相互作用として要約することができます。つまり、このモデルまたは同様のモデルを適用して、さまざまなマイクロロボットの群れの動作を特徴付けることができるのです」と、現在研究員である Ceron 氏は述べています。マサチューセッツ工科大学博士研究員。 「現在、磁気マイクロロボットの集団行動を開発、研究することができ、おそらくスウォーマレーターモデルを使用して、これらのマイクロロボットの将来の設計を通じて可能になる行動を予測することができます。」

「今回の研究では、マイクロロボットのサイズによって発揮される力の違いをプログラムしていましたが、探索すべきパラメータ空間はまだ大きいです」と同氏は述べた。 「これが、マイクロロボットの形態の不均一性を利用して、より複雑な集団行動を引き出すという長い研究の最初のものとなることを願っています。」

この研究は、マックス・プランク協会、国立科学財団、フルブライト・ドイツ奨学金、およびパッカード財団科学工学フェローシップによって支援されました。

-30-

米国科学アカデミーの議事録

10.1073/pnas.2221913120

免責事項: AAAS と EurekAlert! EurekAlert! に投稿されたニュース リリースの正確性については責任を負いません。 貢献機関による、または EurekAlert システムを介した情報の使用。