“Robot de partículas” puede empujar, moverse en masa y transportar objetos

Las “partículas” en forma de disco conectadas sin apretarse pueden empujarse y jalarse entre sí, moviéndose en masa para transportar objetos.

Siguiendo el ejemplo de las células biológicas, investigadores del MIT, la Universidad de Columbia y otros lugares han desarrollado robots computacionalmente simples que se conectan en grandes grupos para moverse, transportar objetos y completar otras tareas.

Este sistema denominado “robótica de partículas”, basado en un proyecto del MIT, Columbia Engineering, la Universidad de Cornell y la Universidad de Harvard, comprende muchas unidades individuales en forma de disco, que los investigadores denominan “partículas”.

Cuentan con imanes alrededor de sus perímetros y cada unidad solo pueden hacer dos cosas: expandirse y contraerse.

(Cada partícula mide aproximadamente 15 cm en su estado contraído y aproximadamente 23 cm cuando se expande).

Ese movimiento, cuando se calcula cuidadosamente, permite que las partículas individuales se empujen entre sí en un movimiento coordinado.

Los sensores a bordo permiten que el grupo gravite hacia las fuentes de luz.

En un artículo de Nature, los investigadores demuestran un grupo de dos docenas de partículas robóticas reales y una simulación virtual de hasta 100,000 partículas que se mueven a través de obstáculos hacia una bombilla.

También muestran que un robot de partículas puede transportar objetos colocados en medio.

Los robots de partículas pueden formarse en muchas configuraciones y navegar de manera fluida alrededor de los obstáculos y apretarse a través de espacios estrechos.

Notablemente, ninguna de las partículas se comunica directamente o depende una de la otra para funcionar, por lo que las partículas se pueden agregar o quitar sin ningún impacto en el grupo.

En su artículo, los investigadores muestran que los sistemas robóticos de partículas pueden completar tareas incluso cuando muchas unidades funcionan mal.

El artículo representa una nueva forma de pensar acerca de los robots, que tradicionalmente están diseñados para un solo propósito, comprenden muchas partes complejas y dejan de funcionar cuando alguna parte funciona mal.

Los robots compuestos de estos componentes simplistas, dicen los investigadores, podrían permitir sistemas más escalables, flexibles y robustos.

“Tenemos pequeñas células de robot que no son tan capaces como individuos pero que pueden lograr mucho como grupo”, dice Daniela Rus, directora del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) y profesora de Ingeniería Eléctrica.

“El robot en sí mismo es estático, pero cuando se conecta con otras partículas robot, de repente el colectivo de robots puede explorar el mundo y controlar acciones más complejas.

Con estas “celdas universales”, las partículas del robot pueden lograr diferentes formas, transformación global, movimiento global, comportamiento global y, como hemos demostrado en nuestros experimentos, seguir los gradientes de luz. Esto es muy poderoso “.

Los investigadores optaron por mecanismos en forma de disco que pueden girar uno alrededor del otro.

También pueden conectarse y desconectarse entre sí, y formar muchas configuraciones.

Cada unidad de un robot de partículas tiene una base cilíndrica, que alberga una batería, un motor pequeño, sensores que detectan la intensidad de la luz, un microcontrolador y un componente de comunicación que envía y recibe señales.

Montado en la parte superior, se encuentra un juguete para niños llamado Hoberman Flight Ring (su inventor es uno de los coautores del artículo) que consiste en pequeños paneles conectados en una formación circular que se puede jalar para expandir y empujar para contraer. Dos pequeños imanes están instalados en cada panel.

El truco consistió en programar las partículas robóticas para expandirse y contraerse en una secuencia exacta para empujar a todo el grupo hacia una fuente de luz de destino.

Para hacerlo, los investigadores equiparon cada partícula con un algoritmo que analiza la información emitida sobre la intensidad de la luz de todas las demás partículas, sin necesidad de comunicación directa de partícula a partícula.

Los sensores de una partícula detectan la intensidad de luz de una fuente; cuanto más cerca esté la partícula de la fuente de luz, mayor será la intensidad.

Cada partícula emite constantemente una señal que comparte el nivel de intensidad percibido con todas las demás partículas.

Digamos que un sistema robótico de partículas mide la intensidad de la luz en una escala de niveles 1 a 10: las partículas más cercanas a la luz registran un nivel 10 y las más lejanas registrarán el nivel 1.

El nivel de intensidad, a su vez, corresponde a un tiempo específico que la partícula debe expandir.

Las partículas que experimentan la mayor intensidad (nivel 10) se expanden primero.

A medida que esas partículas se contraen, las siguientes partículas en orden, nivel 9, luego se expanden.

Ese movimiento cronometrado de expansión y contratación ocurre en cada nivel subsiguiente.

“Esto crea una onda de expansión-contracción mecánica, un movimiento coordinado de empuje y arrastre, que mueve un gran grupo hacia o lejos de los estímulos ambientales”, dice Li.

El componente clave, agrega Li, es la sincronización precisa de un reloj sincronizado compartido entre las partículas que permite el movimiento de la manera más eficiente posible:

“Si arruinas el reloj sincronizado, el sistema funcionará de manera menos eficiente”.

En los videos, los investigadores demuestran un sistema robótico de partículas que comprende partículas reales que se mueven y cambian de dirección hacia diferentes bombillas a medida que se encienden, y se abren paso a través de una brecha entre lobstáculos.

En su artículo, los investigadores también muestran que los grupos simulados de hasta 10,000 partículas mantienen la locomoción, a la mitad de su velocidad, incluso con hasta el 20 por ciento de unidades fallidas.

“Es un poco como el proverbial ‘gray goo ‘”, dice Lipson, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, que hace referencia al concepto de ciencia ficción de un robot autorreplicante que comprende miles de millones de nanobots.

“La principal novedad aquí es que se tiene un nuevo tipo de robot que no tiene control centralizado, ningún punto de falla, ninguna forma fija, y sus componentes no tienen una identidad única”.

El siguiente paso, agrega Lipson, es miniaturizar los componentes para hacer un robot compuesto de millones de partículas microscópicas.

Fuente: MIT