郝志健（左）和 Azadeh Ansari 在他們的實驗室中。圖片來源：美國佐治亞理工學院

振動的微型機器人可以徹底改變研究

單個機器人可以作為群組集體工作，在從建筑到監控的所有方面創造重大進展，但微型機器人的小規模是藥物輸送、疾病診斷，甚至手術的理想選擇。

盡管有潛力，但微型機器人的尺寸往往意味著它們的感知、通信、運動和計算能力有限，但佐治亞理工學院的新研究增強了它們有效協作的能力。這項工作提供了一個新的系統來控制300個3毫米長的微毛機器人（microbots）群，使其能夠在沒有機載感應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院在電氣和計算機工程以及機器人技術方面的專長及其對跨學科合作的推動所特有的。

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

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

微型機器人的挑戰

雖然大型機器人可以通過感知環境并將這些數據無線發送給對方來控制運動，但微型機器人沒有能力攜帶相同的傳感器、通信或動力裝置。在這項研究中，研究人員反而利用機器人之間的物理互動來鼓勵機器人成群結隊。

郝志健說："微型機器人太小了，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驅動的振幅的反應，我們可以影響單個機器人的移動方式以及成百上千個這些微小機器人的集體行為。"

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

為了更好地理解這些相分離，他們利用計算機視覺為300個機器人群開發了計算模型和一個實時跟蹤系統。這些使研究人員能夠分析產生蜂群特征的微型機器人的行為和運動數據。

郝說："這個項目是第一個使用這個MIPS的完整管道，可以推廣到不同的微型機器人群。我們希望人們會發現，使用物理互動是控制微型機器人的另一種新方法，這在最初是很難做到的。"

為創新而合作

這個項目的成功可以歸功于研究的跨學科性質。雖然歐洲經委會的研究人員擁有構建微機電系統（MEMS）以制造計算機芯片或微型機器人等技術的專業知識，但機器人研究人員帶來了建模經驗。Ansari 在2019年首次用3D打印的聚合物制造了微鬃毛機器人，這為與IRIM主任和Seth Hutchinson 教授、現就讀于加州大學歐文分校的 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備并驅動它們，而他們更了解算法、建模以及閉環和開環控制。因此，這是非常好的跨學科工作，因為每個小組都從其他人帶來的新觀點中受益。”