郝志健（左）和 Azadeh Ansari 在他们的实验室中。图片来源：美国佐治亚理工学院

振动的微型机器人可以彻底改变研究

单个机器人可以作为群组集体工作，在从建筑到监控的所有方面创造重大进展，但微型机器人的小规模是药物输送、疾病诊断，甚至手术的理想选择。

尽管有潜力，但微型机器人的尺寸往往意味着它们的感知、通信、运动和计算能力有限，但佐治亚理工学院的新研究增强了它们有效协作的能力。这项工作提供了一个新的系统来控制300个3毫米长的微毛机器人（microbots）群，使其能够在没有机载感应的情况下可控地聚集和分散。

这一突破是美国佐治亚理工学院在电气和计算机工程以及机器人技术方面的专长及其对跨学科合作的推动所特有的。

美国佐治亚理工学院电气和计算机工程学院（ECE）的助理教授Azadeh Ansari说："通过与机器人专家合作，我们能够'缩小'单一机器人设计和蜂群控制之间的差距。所以我想不同的元素都在那里，我们只是建立了联系。"

研究人员在IEEE Transactions on Robotics上发表了题为 "控制微鬃毛机器人群中的碰撞诱发的聚集 "的工作。

微型机器人的挑战

虽然大型机器人可以通过感知环境并将这些数据无线发送给对方来控制运动，但微型机器人没有能力携带相同的传感器、通信或动力装置。在这项研究中，研究人员反而利用机器人之间的物理互动来鼓励机器人成群结队。

郝志健说："微型机器人太小了，无法解释和做出决定，但通过利用它们之间的碰撞以及它们对频率和全局振动驱动的振幅的反应，我们可以影响单个机器人的移动方式以及成百上千个这些微小机器人的集体行为。"

这些行为，或运动特性，决定了微型机器人如何线性移动，以及它们旋转的随机性。通过使用振动，研究人员可以控制这些运动特性并进行运动诱导相分离（MIPS）。研究人员从热力学中借用了这一概念，当被搅拌的材料可以从固体到气体再到液体进行相变。研究人员操纵振动水平来影响微机器人形成集群或分散，以创造良好的空间覆盖。

为了更好地理解这些相分离，他们利用计算机视觉为300个机器人群开发了计算模型和一个实时跟踪系统。这些使研究人员能够分析产生蜂群特征的微型机器人的行为和运动数据。

郝说："这个项目是第一个使用这个MIPS的完整管道，可以推广到不同的微型机器人群。我们希望人们会发现，使用物理互动是控制微型机器人的另一种新方法，这在最初是很难做到的。"

为创新而合作

这个项目的成功可以归功于研究的跨学科性质。虽然欧洲经委会的研究人员拥有构建微机电系统（MEMS）以制造计算机芯片或微型机器人等技术的专业知识，但机器人研究人员带来了建模经验。Ansari 在2019年首次用3D打印的聚合物制造了微鬃毛机器人，这为与IRIM主任和Seth Hutchinson 教授、现就读于加州大学欧文分校的 Magnus Egerstedt教授以及他们的博士生Sid Mayya 和Gennaro Notomista的合作提供了种子。

Ansari 说："我们更了解如何建造微型设备并驱动它们，而他们更了解算法、建模以及闭环和开环控制。因此，这是非常好的跨学科工作，因为每个小组都从其他人带来的新观点中受益。”