‘Enxames inteligentes’ de pequenos robôs inspirados na mentalidade natural de rebanho

Nos ecossistemas naturais, a mentalidade de rebanho desempenha um papel importante – desde cardumes de peixes, até colmeias e colónias de formigas. Este comportamento coletivo permite que o todo exceda a soma das partes e responda melhor às ameaças e desafios.

Esse comportamento inspirou pesquisadores da Universidade do Texas em Austin, e há mais de um ano eles trabalham na criação de “enxames inteligentes” de robôs microscópicos. Os pesquisadores projetaram interações sociais entre essas pequenas máquinas para que pudessem atuar como um grupo coordenado, executando tarefas melhor do que fariam se estivessem se movendo individualmente ou aleatoriamente.

“Todos estes grupos, bandos de pássaros, cardumes de peixes e outros, cada membro do grupo tem esta inclinação natural para trabalhar em conjunto com o seu vizinho, e juntos são mais inteligentes, mais fortes e mais eficientes do que seriam sozinhos, ” disse Yuebing Zheng, professor associado do Departamento Walker de Engenharia Mecânica e do Texas Materials Institute. “Queríamos aprender mais sobre os mecanismos que fazem isso acontecer e ver se podemos reproduzi-lo”.

Zheng e sua equipe apresentaram essas inovações pela primeira vez em um artigo publicado em Materiais avançados ano passado. Mas eles deram um passo adiante em um novo artigo publicado recentemente em Avanços da Ciência.

No novo artigo, Zheng e sua equipe deram a esses enxames uma nova característica chamada atraso adaptativo. Este conceito permite que cada microrobô do enxame adapte seu movimento às mudanças no ambiente local. Ao fazer isso, o enxame mostrou um aumento significativo na capacidade de resposta sem diminuir a sua robustez – a capacidade de responder rapidamente a qualquer mudança ambiental, mantendo a integridade do enxame.

Esta descoberta baseia-se num novo sistema de feedback óptico – a capacidade de dirigir estes microrrobôs de uma forma colectiva usando padrões de luz controláveis. Este sistema foi revelado pela primeira vez no artigo dos pesquisadores de 2023 – recentemente escolhido como uma “escolha do editor” por Materiais avançados—e facilitou o desenvolvimento de atraso adaptativo para microrobôs.

A estratégia adaptativa de atraso de tempo oferece potencial para escalabilidade e integração em máquinas maiores. Esta abordagem poderia melhorar significativamente a eficiência operacional das frotas autónomas de drones. Da mesma forma, poderia permitir que caminhões e carros navegassem de forma autônoma em longas viagens rodoviárias em uníssono, com melhor capacidade de resposta e maior robustez. Da mesma forma que cardumes de peixes podem se comunicar e seguir uns aos outros, o mesmo acontecerá com essas máquinas. Como resultado, não há necessidade de qualquer tipo de controle central, que requer mais dados e energia para funcionar.

“Os nanorrobôs, individualmente, são vulneráveis ​​a ambientes complexos; eles lutam para navegar com eficácia em condições desafiadoras, como correntes sanguíneas ou águas poluídas”, disse Zhihan Chen, Ph.D. estudante do laboratório de Zheng e coautor do novo artigo. “Este movimento coletivo pode ajudá-los a navegar melhor em um ambiente complicado e alcançar o alvo de forma eficiente e evitar obstáculos ou ameaças”.

Tendo comprovado essa mentalidade de enxame no ambiente de laboratório, o próximo passo é introduzir mais obstáculos. Esses experimentos foram conduzidos em uma solução líquida estática. A seguir, eles tentarão repetir o comportamento no líquido fluindo. E então eles irão replicá-lo dentro de um organismo.

Uma vez totalmente desenvolvidos, estes enxames inteligentes poderão servir como forças avançadas de distribuição de medicamentos, capazes de navegar no corpo humano e escapar às suas defesas para levar o medicamento ao seu alvo. Ou eles poderiam operar como aspiradores robóticos iRobot, mas para água contaminada, limpando coletivamente cada pedaço de uma área.