Système capable de transitions rapides entre les comportements


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  • Des chercheurs de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS), de l’Université Cornell et de l’Université Jiao Tong de Shanghai ont développé des collectifs de microrobots capables de se déplacer dans n’importe quelle formation souhaitée. Les particules miniatures sont capables de reconfigurer leur comportement en essaim rapidement et de manière robuste. Flottant à la surface de l’eau, les disques microrobotiques polyvalents peuvent tourner en rond, danser le boogie, se regrouper en une touffe, s’étaler comme du gaz ou former une ligne droite comme des perles sur une ficelle.

    Chaque robot est légèrement plus grand que la largeur d’un cheveu. Ils sont imprimés en 3D à l’aide d’un polymère, puis recouverts d’une fine couche supérieure de cobalt. Grâce au métal, les microrobots deviennent des aimants miniatures. Pendant ce temps, des bobines de fil qui créent un champ magnétique lorsque l’électricité les traverse entourent l’installation. Le champ magnétique permet aux particules d’être dirigées avec précision autour d’un bassin d’eau d’un centimètre de large. Lorsqu’ils forment une ligne, par exemple, les chercheurs peuvent déplacer les robots de manière à ce qu’ils « écrivent » des lettres dans l’eau. Le projet de recherche de Gaurav Gardi et du professeur Metin Sitti du MPI-IS, de Steven Ceron et du professeur Kirstin Petersen de l’Université Cornell et du professeur Wendong Wang de l’Université Jiao Tong de Shanghai intitulé « Microrobot Collectives with Reconfigurable Morphologies, Behaviors, and Functions » a été Publié dans Communication Nature le 26 avril 2022.

    Le comportement collectif émerge des interactions entre les robots

    Le comportement collectif et les modèles d’essaim se retrouvent partout dans la nature. Une volée d’oiseaux présente un comportement d’essaim, tout comme un banc de poissons. Les robots peuvent également être programmés pour agir en essaims – et ont été vus le faire de manière assez visible. Une entreprise de technologie a récemment présenté un spectacle de lumière de drone qui a valu à l’entreprise un record du monde Guinness en programmant plusieurs centaines de drones et en les faisant voler côte à côte, créant des motifs étonnants dans le ciel nocturne. Chaque drone de cet essaim était équipé d’une puissance de calcul le dirigeant dans toutes les directions possibles. Mais que se passe-t-il si la particule unique est si petite que le calcul n’est pas une option ? Lorsqu’un robot ne mesure que 300 micromètres de large, on ne peut pas le programmer avec un algorithme.

    Trois forces différentes sont en jeu pour compenser le manque de calcul. L’un est la force magnétique. Deux aimants de pôles opposés s’attirent. Deux pôles identiques se repoussent. La deuxième force est l’environnement fluide; l’eau autour des disques. Lorsque des particules nagent dans un tourbillon d’eau, elles déplacent l’eau et affectent les autres particules environnantes dans le système. La vitesse du tourbillon et sa magnitude déterminent la façon dont les particules interagissent. Troisièmement, si deux particules flottent l’une à côté de l’autre, elles ont tendance à dériver l’une vers l’autre : elles courbent la surface de l’eau de telle sorte qu’elles se rejoignent lentement. Les scientifiques et les amateurs de céréales appellent cela le effet cheerio: si vous laissez flotter deux cheerios sur du lait, ils vont bientôt se cogner. D’un autre côté, cet effet peut également amener deux choses à se repousser (essayez une épingle à cheveux et un cheerio).

    Trois forces permettent la reconfigurabilité

    Les scientifiques utilisent les trois forces pour créer un modèle de mouvement collectif et coordonné pour plusieurs dizaines de microrobots en un seul système. Une vidéo (https://youtu.be/q91AWmTBzG8) montre comment les scientifiques dirigent les robots à travers un parcours, affichant la formation qui convient le mieux au parcours d’obstacles, par exemple lorsqu’ils entrent dans un passage étroit, les microrobots s’alignent en file indienne et se dispersent à nouveau lorsqu’ils sortent. Les scientifiques peuvent aussi faire danser les robots, seuls ou à deux. De plus, ils montrent comment ils ont mis une petite boule en plastique dans le réservoir d’eau, puis agrégé les robots en une touffe pour pousser la boule flottante. Ils peuvent placer les minuscules particules à l’intérieur de deux engrenages et déplacer les particules de manière à faire tourner les deux engrenages. Un motif plus ordonné est également possible, chaque particule gardant une distance identique avec sa voisine. Tous ces différents modes et formations de locomotion sont obtenus grâce à un calcul externe : un algorithme est programmé pour créer un champ magnétique rotatif ou oscillant qui déclenche le mouvement et la reconfigurabilité souhaités.

    « Selon la façon dont nous modifions les champs magnétiques, les disques se comportent différemment. Nous accordons une force, puis une autre jusqu’à ce que nous obtenions le mouvement souhaité. Si nous faisons tourner trop vigoureusement le champ magnétique à l’intérieur des bobines, la force qui est faire bouger l’eau est trop fort et les disques s’éloignent les uns des autres. Si nous tournons trop lentement, alors l’effet cheerio qui attire les particules est trop fort. Nous devons trouver l’équilibre entre les trois », explique Gaurav Gardi . Il est titulaire d’un doctorat. étudiant au département d’intelligence physique du MPI-IS et l’un des deux principaux auteurs de la publication avec Steven Ceron de l’Université Cornell.

    Un modèle pour les futures applications biomédicales et environnementales

    Le scénario futur pour de tels collectifs microrobotiques est d’aller encore plus petit. « Notre vision est de développer un système encore plus petit, composé de particules d’un micromètre seulement. Ces collectifs pourraient potentiellement pénétrer à l’intérieur du corps humain et naviguer dans des environnements complexes pour délivrer des médicaments, par exemple, pour bloquer ou débloquer des passages, ou pour stimuler une zone difficile à atteindre », explique Gardi.

    « Les collectifs de robots avec des transitions robustes entre les comportements de locomotion sont très rares. Cependant, de tels systèmes polyvalents sont avantageux pour fonctionner dans des environnements complexes. Nous sommes très heureux d’avoir réussi à développer un collectif aussi robuste et reconfigurable à la demande. Nous voyons notre recherche comme un modèle pour les futures applications biomédicales, les traitements mini-invasifs ou l’assainissement de l’environnement », ajoute Metin Sitti, qui dirige le département d’intelligence physique et est un pionnier dans le domaine de la robotique à petite échelle et de l’intelligence physique.

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