郝志?。ㄗ螅┖?Azadeh Ansari 在他們的實(shí)驗(yàn)室中。圖片來源：美國佐治亞理工學(xué)院

振動(dòng)的微型機(jī)器人可以徹底改變研究

單個(gè)機(jī)器人可以作為群組集體工作，在從建筑到監(jiān)控的所有方面創(chuàng)造重大進(jìn)展，但微型機(jī)器人的小規(guī)模是藥物輸送、疾病診斷，甚至手術(shù)的理想選擇。

盡管有潛力，但微型機(jī)器人的尺寸往往意味著它們的感知、通信、運(yùn)動(dòng)和計(jì)算能力有限，但佐治亞理工學(xué)院的新研究增強(qiáng)了它們有效協(xié)作的能力。這項(xiàng)工作提供了一個(gè)新的系統(tǒng)來控制300個(gè)3毫米長的微毛機(jī)器人（microbots）群，使其能夠在沒有機(jī)載感應(yīng)的情況下可控地聚集和分散。

這一突破是美國佐治亞理工學(xué)院在電氣和計(jì)算機(jī)工程以及機(jī)器人技術(shù)方面的專長及其對跨學(xué)科合作的推動(dòng)所特有的。

美國佐治亞理工學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院（ECE）的助理教授Azadeh Ansari說："通過與機(jī)器人專家合作，我們能夠'縮小'單一機(jī)器人設(shè)計(jì)和蜂群控制之間的差距。所以我想不同的元素都在那里，我們只是建立了聯(lián)系。"

研究人員在IEEE Transactions on Robotics上發(fā)表了題為 "控制微鬃毛機(jī)器人群中的碰撞誘發(fā)的聚集 "的工作。

微型機(jī)器人的挑戰(zhàn)

雖然大型機(jī)器人可以通過感知環(huán)境并將這些數(shù)據(jù)無線發(fā)送給對方來控制運(yùn)動(dòng)，但微型機(jī)器人沒有能力攜帶相同的傳感器、通信或動(dòng)力裝置。在這項(xiàng)研究中，研究人員反而利用機(jī)器人之間的物理互動(dòng)來鼓勵(lì)機(jī)器人成群結(jié)隊(duì)。

郝志健說："微型機(jī)器人太小了，無法解釋和做出決定，但通過利用它們之間的碰撞以及它們對頻率和全局振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的振幅的反應(yīng)，我們可以影響單個(gè)機(jī)器人的移動(dòng)方式以及成百上千個(gè)這些微小機(jī)器人的集體行為。"

這些行為，或運(yùn)動(dòng)特性，決定了微型機(jī)器人如何線性移動(dòng)，以及它們旋轉(zhuǎn)的隨機(jī)性。通過使用振動(dòng)，研究人員可以控制這些運(yùn)動(dòng)特性并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)相分離（MIPS）。研究人員從熱力學(xué)中借用了這一概念，當(dāng)被攪拌的材料可以從固體到氣體再到液體進(jìn)行相變。研究人員操縱振動(dòng)水平來影響微機(jī)器人形成集群或分散，以創(chuàng)造良好的空間覆蓋。

為了更好地理解這些相分離，他們利用計(jì)算機(jī)視覺為300個(gè)機(jī)器人群開發(fā)了計(jì)算模型和一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。這些使研究人員能夠分析產(chǎn)生蜂群特征的微型機(jī)器人的行為和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

郝說："這個(gè)項(xiàng)目是第一個(gè)使用這個(gè)MIPS的完整管道，可以推廣到不同的微型機(jī)器人群。我們希望人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用物理互動(dòng)是控制微型機(jī)器人的另一種新方法，這在最初是很難做到的。"

為創(chuàng)新而合作

這個(gè)項(xiàng)目的成功可以歸功于研究的跨學(xué)科性質(zhì)。雖然歐洲經(jīng)委會(huì)的研究人員擁有構(gòu)建微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）以制造計(jì)算機(jī)芯片或微型機(jī)器人等技術(shù)的專業(yè)知識(shí)，但機(jī)器人研究人員帶來了建模經(jīng)驗(yàn)。Ansari 在2019年首次用3D打印的聚合物制造了微鬃毛機(jī)器人，這為與IRIM主任和Seth Hutchinson 教授、現(xiàn)就讀于加州大學(xué)歐文分校的 Magnus Egerstedt教授以及他們的博士生Sid Mayya 和Gennaro Notomista的合作提供了種子。

Ansari 說："我們更了解如何建造微型設(shè)備并驅(qū)動(dòng)它們，而他們更了解算法、建模以及閉環(huán)和開環(huán)控制。因此，這是非常好的跨學(xué)科工作，因?yàn)槊總€(gè)小組都從其他人帶來的新觀點(diǎn)中受益?！?/p>