Usare le vibrazioni per controllare uno sciame di minuscoli robot

I singoli robot possono lavorare collettivamente come sciami per creare importanti progressi nella costruzione, sorveglianza, diagnosi di malattie

Progettare sistematicamente regole di interazione locale per ottenere comportamenti collettivi negli sciami di robot è uno sforzo impegnativo, specialmente nei micro robot, dove le restrizioni dimensionali implicano gravi limiti di rilevamento, comunicazione e calcolo. In tali sciami di robot, lo svolgimento di funzioni utili è spesso precondizionato dalla formazione di aggregazioni ad alta densità che possono facilitare la segnalazione collettiva e la condivisione delle informazioni.

I singoli robot possono lavorare collettivamente come sciami per creare importanti progressi in tutto, dalla costruzione alla sorveglianza, ma la piccola scala dei microrobot è l'ideale per la somministrazione di farmaci, la diagnosi di malattie e persino gli interventi chirurgici.

Nonostante il loro potenziale, le dimensioni dei microrobot spesso significano che hanno capacità di rilevamento, comunicazione, motilità e calcolo limitate, ma una nuova ricerca del Georgia Institute of Technology migliora la loro capacità di collaborare in modo efficiente. Il lavoro offre un nuovo sistema per controllare sciami di capacità di 300 robot con microsetole da 3 millimetri (microbot) di aggregarsi e disperdersi in modo controllabile senza il rilevamento a bordo.

La svolta è unica per l'esperienza di Georgia Tech in ingegneria elettrica, informatica e robotica e la sua spinta a collaborazioni interdisciplinari.

«Collaborando con i robotici siamo riusciti a 'colmare il divario' tra la progettazione di un singolo robot e il controllo dello sciame», ha affermato la dottoressa Azadeh Ansari (1), assistente professoressa presso la School of Electrical and Computer Engineering (ECE). «Quindi immagino che ci fossero i diversi elementi e abbiamo appena stabilito la connessione».

I ricercatori hanno presentato il lavoro, “Controlling Collision-Induced Aggregations in a Swarm of Micro Bristle Robots”, in IEEE Transactions on Robotics. (2)

Le sfide dei microbot

Mentre i robot più grandi possono controllare il movimento rilevando l'ambiente e inviando questi dati in modalità wireless l'un l'altro, i microbot non hanno la capacità di trasportare gli stessi sensori, comunicazioni o unità di alimentazione. In questo studio, i ricercatori hanno invece utilizzato interazioni fisiche tra robot per incoraggiare i robot a sciamare.

«I microbot sono troppo piccoli per interpretare e prendere decisioni, ma usando la collisione tra di loro e il modo in cui rispondono alla frequenza e all'ampiezza dell'attivazione globale delle vibrazioni, potremmo influenzare il modo in cui i singoli robot si muovono e i comportamenti collettivi di centinaia e migliaia di questi minuscoli robot», ha affermato Zhijian Hao, ECE Ph.D. studente. (3)

Questi comportamenti, o caratteristiche di motilità, determinano il modo in cui i microbot si muovono linearmente e la casualità nella loro rotazione. Utilizzando la vibrazione, i ricercatori potrebbero controllare queste caratteristiche di motilità ed eseguire la separazione di fase indotta dalla motilità (MIPS). I ricercatori hanno preso in prestito il concetto dalla termodinamica, quando un materiale agitato può cambiare le fasi da solido a gassoso a liquido. I ricercatori hanno manipolato il livello di vibrazione per influenzare i microbot a formare gruppi o disperdersi per creare una buona copertura spaziale.

Per comprendere meglio queste separazioni di fase, hanno sviluppato modelli computazionali e un sistema di tracciamento in tempo reale per lo sciame di 300 robot utilizzando la visione artificiale. Ciò ha consentito ai ricercatori di analizzare il comportamento dei microrobot e i dati di movimento che danno origine alle caratteristiche dello sciame.

«Questo progetto è la prima pipeline completa che utilizza questo MIPS che può essere generalizzato a diversi sciami di microbot», ha affermato Zhijian Hao. «Ci auguriamo che le persone scopriranno che l'uso delle interazioni fisiche è un altro nuovo modo per controllare i microbot, cosa che inizialmente era molto difficile da fare».

Collaborare per l'innovazione

Una sovvenzione iniziale della Georgia Tech dell'Institute for Robotics and Intelligent Machines (IRIM) e dell'Institute for Electronics and Nanotechnology ha consentito questa ricerca ad alto rischio.

Il successo del progetto può essere attribuito alla natura interdisciplinare della ricerca. Mentre i ricercatori ECE avevano esperienza nella costruzione di sistemi microelettromeccanici (MEMS) per fabbricare tecnologie come chip per computer o microbot, i ricercatori di robotica hanno portato esperienza di modellazione. La dottoressa Azadeh Ansari ha creato per la prima volta i robot microsetole nel 2019 da polimeri stampati in 3D, che hanno dato vita alla collaborazione con il direttore dell'IRIM e il professor Seth Hutchinson e il professor Magnus Egerstedt, ora all'Università della California, a Irvine, e il loro dottorato di ricerca. studenti Sid Mayya e Gennaro Notomista.

«Sapevamo di più su come costruire micro dispositivi e attivarli, e loro sapevano di più sugli algoritmi, i modelli e il controllo ad anello chiuso e ad anello aperto», ha affermato Ansari. «Quindi, è stato un ottimo lavoro interdisciplinare perché ogni gruppo ha beneficiato delle nuove prospettive che gli altri hanno portato a questo».

Il Georgia Institute of Technology, o Georgia Tech (4), è una delle migliori università pubbliche di ricerca negli Stati Uniti, leader in via di sviluppo che fanno avanzare la tecnologia e migliorano la condizione umana. L'Istituto offre lauree in economia, informatica, design, ingegneria, arti liberali e scienze. I suoi oltre 46.000 studenti, in rappresentanza di 50 stati e più di 150 paesi, studiano nel campus principale di Atlanta, nei campus in Francia e Cina e attraverso l'apprendimento a distanza e online. In qualità di università tecnologica leader, Georgia Tech è un motore di sviluppo economico per la Georgia, il sud-est e la nazione, conducendo oltre 1 miliardo di dollari di ricerca all'anno per il governo, l'industria e la società.

Riferimenti:

(1) Azadeh Ansari

(2) Controlling Collision-Induced Aggregations in a Swarm of Micro Bristle Robots

(3) Zhijian Hao

(4) Georgia Institute of Technology

Descrizione foto: Zhijian Hao (a sinistra) e Azadeh Ansari nel loro laboratorio. - Credit: Georgia Tech.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Using Vibrations to Control a Swarm of Tiny Robots