코넬대학교 막스플랑크 지능시스템연구소(MPI-IS) 및 상하이 자오퉁 대학교를 포함한 다양한 기관의 연구원 팀은 원하는 형태로 이동할 수 있는 마이크로 로봇 집합체를 개발했다.

미니어처 입자 재구성

소형 입자는 떼 행동을 매우 빠르게 재구성할 수 있다. 물 표면에 떠 있을 때 마이크로 로봇 디스크는 원을 그리며 움직이거나 춤을 추거나 가스처럼 퍼지거나 뭉치거나 직선을 형성할 수 있다.

각 로봇은 사람의 머리카락 너비보다 약간 더 크며 폴리머를 사용하여 3D 프린팅한 후 얇은 코발트로 코팅한다. 금속은 마이크로 로봇에게 소형 자기가 될 수 있는 능력을 부여하고 와이어 코일은 전기가 흐를 때 자기장을 생성한다. 이 자기장은 입자가 1센티미터 너비의 물웅덩이 주위로 정확하게 이동할 수 있도록 한다.

이에 대한 인상적인 예는 로봇이 선을 형성한 다음 연구원들이 물 속에서 글자를 "쓰기"하기 위해 이리저리 움직일 수 있는 경우이다.

무리 로봇 공학의 발전은 새 떼와 같은 자연의 집단 행동과 무리 패턴의 영향을 받는다. 로봇 공학의 무리 행동 구현은 최근 인기를 얻고 있다.

그러나 단일 입자가 계산하기에 너무 작거나 로봇의 너비가 300마이크로미터에 불과하면 알고리즘으로 프로그래밍할 수 없다. 이를 보상하기 위해 연구자는 세 가지 다른 힘에 의존해야 한다. 첫 번째는 반대 극을 가진 두 개의 자석이 서로 끌거나 두 개의 동일한 극이 서로 반발할 때 발생하는 자기력이다.

두 번째 힘은 유체 환경 또는 디스크 주변의 물이다. 이것은 입자가 물의 소용돌이 속에서 헤엄칠 때 볼 수 있으며, 이로 인해 물이 옮겨지고 주변의 다른 입자가 변경된다. 소용돌이의 속도와 자성은 입자가 상호 작용하는 방식을 결정한다.

세 번째 힘은 서로 옆에 떠 있는 두 개의 입자와 관련되어 종종 서로를 향해 표류한다. 수면은 그것들을 하나로 모으는 방식으로 구부러져 있다.

로봇 조종하기

연구원들은 이 세 가지 힘을 모두 사용하여 수십 개의 마이크로 로봇을 하나의 시스템으로 통합하고 조정된 동작 패턴을 생성했다. 과학자들은 주어진 장애물에 가장 잘 맞는 포메이션을 표시하면서 파쿠르를 통해 로봇을 조종할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 로봇은 좁은 통로를 통과하기 위해 단일 파일로 정렬된다.

로봇은 외부 계산을 통해 달성되는 여러 가지 다른 이동 모드 및 구성을 달성할 수 있다. 회전하거나 진동하는 자기장을 생성하도록 알고리즘이 프로그래밍되어 있으며, 이는 로봇의 원하는 움직임을 트리거한다.

Gaurav Gardi는 박사이다. MPI-IS 물리 지능 부서 학생이다. 그는 Steven Ceron과 함께 이 연구의 주 저자 중 한 명이다.

"우리가 자기장을 어떻게 바꾸느냐에 따라 디스크는 다른 방식으로 작동한다."라고 Gaurav Gardi는 말한다. “우리는 원하는 움직임을 얻을 때까지 하나의 힘을 조정하고 다른 힘을 조정하고 있다. 코일 내부의 자기장을 너무 세게 회전시키면 물을 움직이게 하는 힘이 너무 강해 디스크가 서로 멀어지게 된다. 너무 느리게 회전하면 입자를 끌어들이는 치리오 효과가 너무 강하다. 세 가지 사이에서 균형을 찾아야 한다.”

이 분야의 연구원들은 또한 이러한 유형의 마이크로 로봇 집단을 훨씬 더 작게 만들기 위해 노력하고 있다.

“우리의 비전은 1마이크로미터 작은 입자로 이루어진 훨씬 더 작은 시스템을 개발하는 것이다. 이러한 집합체는 잠재적으로 인체 내부로 들어가 복잡한 환경을 탐색하여 약물을 전달하는 것과 같이 통로를 차단 또는 차단 해제하거나 도달하기 어려운 영역을 자극할 수 있다.”라고 Gardi는 말한다.

Metin Sitti는 신체 지능 부서를 이끌고 있다.

“이동 행동 간의 강력한 전환을 가진 로봇 집단은 매우 드물다. 그러나 이러한 다목적 시스템은 복잡한 환경에서 작동하는 데 유리라다. 우리는 강력하고 주문형 재구성 가능한 집합체를 개발하는 데 성공하여 매우 기쁘다. 우리는 우리 연구를 미래의 생물의학 응용, 최소 침습 치료 또는 환경 개선을 위한 청사진으로 보고 있다.”라고 Metin Sitti가 말했다.

이 연구는 MPI-IS의 Gaurav Gardi와 Metin Sitti 교수, Cornell의 Steven Ceron과 Kirstin Peterson 교수, Shanghai Jiao Tong University의 Wendong Wang 교수가 주도했다.

"재구성 가능한 형태, 행동 및 기능을 갖춘 마이크로로봇 집합체"라는 제목의 연구가 네이처 커뮤니케이션즈에 발표되었다.