Рои роботов, схожие на муравьев, поднимают тяжелые предметы и перепрыгивают через препятствия

Ученые из Южной Кореи разработали рой крошечных магнитных роботов, которые работают вместе, как муравьи, и совершают геркулесовы подвиги, включая перемещение и захват объектов, во много раз превышающих их размер. Результаты исследования, опубликованные в среду, 18 декабря, в журнале Cell Press Journal Device, позволяют предположить, что эти рои микророботов, работающие под действием вращающегося магнитного поля, могут быть использованы для решения сложных задач в сложных условиях, с которыми отдельные роботы не справятся, например, для минимально инвазивного лечения закупоренных артерий.

“Высокая адаптивность роев микророботов к окружающей среде и высокий уровень автономности в управлении роем оказались неожиданными”, – говорит автор исследования Чон Чжэ Ви (Jeong Jae Wie) с кафедры органической и наноинженерии Университета Ханьянг в Сеуле (Южная Корея).

Ви и его коллеги проверили, насколько хорошо рои микророботов с различными конфигурациями сборки справляются с различными задачами. Они обнаружили, что рои с высоким соотношением сторон могут взбираться на препятствие, длина которого в пять раз превышает длину тела одного микроробота, и перепрыгивать через препятствие один за другим.

Большой рой из 1000 микророботов с высокой плотностью упаковки сформировал плот, который плавал на воде и обернулся вокруг таблетки, которая весила в 2000 раз больше, чем каждый отдельный робот, что позволило рою транспортировать лекарство через жидкость. На суше рой роботов смог транспортировать груз в 350 раз тяжелее, чем каждый отдельный, а другой рой микророботов смог разблокировать трубки, напоминающие закупоренные кровеносные сосуды. Наконец, с помощью вращательных и орбитальных движений команда Ви разработала систему, с помощью которой рой роботов может управлять движениями небольших организмов.

Ученые все больше интересуются тем, как рои роботов могут коллективно достигать целей, вдохновляясь тем, как муравьи объединяются, чтобы преодолеть разрыв в тропе, или собираются в плот, чтобы пережить наводнение. Аналогичным образом, совместная работа делает роботов более устойчивыми к неудачам – даже если некоторые члены группы не достигают цели, остальные продолжают выполнять запрограммированные движения, пока в конечном итоге не добьются успеха.

“Предыдущие исследования в области роевой робототехники были сосредоточены на сферических роботах, которые собираются вместе посредством контакта “точка-точка”, – говорит Ви.

В данном исследовании ученые создали рой, состоящий из микророботов кубической формы, которые обладают более сильным магнитным притяжением, поскольку могут соприкасаться большими поверхностями – целыми гранями каждого куба. Каждый микроробот высотой 600 микрометров состоит из эпоксидного корпуса, в который встроены частицы сплава неодима, бора и железа, что позволяет ему реагировать на магнитные поля и взаимодействовать с другими микророботами. Если питать роботов магнитным полем, создаваемым вращением двух соединенных магнитов, рой может самособираться. Исследователи запрограммировали роботов на различные конфигурации, изменяя угол, под которым роботы были намагничены.

“Мы разработали экономически эффективный метод массового производства с использованием литья и намагничивания на месте, обеспечивающий однородную геометрию и профили намагничивания для стабильной работы”, – говорит Ви. “Хотя результаты исследования многообещающие, роям потребуется более высокий уровень автономности, прежде чем они будут готовы к реальному применению. Магнитные рои микророботов требуют внешнего магнитного управления и не способны автономно перемещаться по сложным или замкнутым пространствам, таким как настоящие артерии”, – говорит он. “Будущие исследования будут направлены на повышение уровня автономности роя микророботов, например, на управление их движениями и траекториями в режиме реального времени с обратной связью”.

Исследование Yang, Kijun et al. Magnetic swarm intelligence of mass-produced, programmable microrobot assemblies for versatile task execution. Cell Press Journal Device, 2024. https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100626