康奈尔大学和马克斯·普朗克智能系统研究所的一项研究合作发现了一种有效的方法来扩展群集微型机器人的集体行为：将不同尺寸的微米级机器人混合在一起，使它们能够自我组织成不同的模式，在施加磁场时可以进行操作。该技术甚至允许蜂群“笼”住被动物体，然后将其驱逐出去。

该方法可能有助于告知未来的微型机器人如何进行靶向药物释放，其中一批微型机器人在人体内运输和释放药物。

该团队的论文《异构微型机器人集体的可编程自组织》于6月5日发表在《美国国家科学院院刊》上。

主要作者是Steven Ceron，博士，22岁，曾在该论文的共同高级作者Kirstin Petersen的实验室工作，Kirstin彼得森是康奈尔工程学院电气与计算机工程系的助理教授和Aref and Manon Lahham学院研究员。

Petersen的集体体现智能实验室一直在研究一系列方法，从算法、经典控制到物理智能，通常通过利用机器人与环境和彼此之间的互动，诱使大型机器人集体做出智能行为。然而，这种方法在应用于微型技术时非常困难，因为微型技术不够大，无法容纳板载计算。

为了应对这一挑战，Ceron和Petersen与该论文的合著者、德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的Gaurav Gardi和Metin Sitti合作。Gardi和Sitti专门开发由磁场驱动的微尺度系统。

彼得森说：“困难在于如何在一群没有计算、传感或通信手段的机器人中实现有用的行为。”。“在我们的上一篇论文中，我们表明，通过使用单个全局信号，我们可以驱动机器人，进而影响它们的成对交互，从而产生集体运动、基于接触和非接触的物体操纵。现在，我们已经表明，我们可以进一步扩展这一行为，只需将不同尺寸的微型机器人一起使用，使它们的成对相互作用变得不对称。”

这种情况下的微型机器人是3D打印的聚合物圆盘，每个圆盘大约有人头发的宽度，上面溅射了一层薄薄的铁磁材料，并放置在1.5厘米宽的水池中。

研究人员施加了两个正交的外部振荡磁场，并调整了它们的振幅和频率，使每个微型机器人在其中心轴上旋转并产生自己的流动。这种运动反过来又产生了一系列磁力、流体动力和毛细管力。

彼得森说：“通过改变全球磁场，我们可以改变这些力的相对大小。”。“这改变了蜂群的整体行为。”

通过使用不同大小的微型机器人，研究人员证明了他们可以控制群体的自组织水平，以及微型机器人如何组装、分散和移动。研究人员能够：将蜂群的整体形状从圆形变为椭圆形；迫使大小相似的微型机器人聚集成小组；并调整单个微型机器人之间的间距，使机器人群能够共同捕获和排出外部物体。

彼得森说：“当这些系统能够锁住和排出药物时，我们总是感到兴奋的原因是，例如，你可以用对人体完全惰性的小型微型机器人喝一小瓶，让它们锁住和运输药物，然后把它带到你体内的正确位置并释放。”。“这不是对物体的完美操纵，但在这些微型系统的行为中，我们开始看到许多与更复杂的机器人的相似之处，尽管它们缺乏计算，这非常令人兴奋。”

Ceron和Petersen使用群集振荡器模型（或称群集振荡器）来精确描述不同大小磁盘之间的不对称相互作用是如何实现其自组织的。

既然该团队已经证明群集器适合这样一个复杂的系统，他们希望该模型也可以用于预测新的和以前从未见过的群集行为。

“有了群集器模型，我们可以抽象出物理相互作用，并将其总结为群集振荡器之间的相位相互作用，这意味着我们可以应用这个模型或类似的模型来表征不同微机器人群的行为，”现任麻省理工学院博士后的塞隆说。“现在，我们可以开发和研究磁性微型机器人的集体行为，并可能使用群集器模型来预测这些微型机器人未来设计中可能出现的行为。”

他说：“在目前的研究中，我们通过微型机器人的尺寸来编程施加力之间的差异，但我们仍有很大的参数空间需要探索。”。“我希望这是我们利用微型机器人形态的异质性来引发更复杂的集体行为的一系列研究中的第一项。”

这项研究得到了马克斯·普朗克学会、国家科学基金会、富布赖特德国奖学金和帕卡德基金会科学与工程奖学金的支持。