Magneticky ovládané robotické systémy pro mikromanipulaci

Využití velkého množství velmi malých a navzájem spolupracujících robotů při výrobě
a zpracování komplexních struktur je snem výzkumníků a inženýrů již řadu let. Ten donedávna dominoval především ve vědeckofantastické literatuře. V současné době se však rozvíjí řada technik, které umožňují manipulaci s tělesy na prostorových škálách od řádu milimetrů až po nanometry. Potenciální aplikace systémů využívajících tyto techniky jsou rozsáhlé a sahají od minimálně invazivních léčebných postupů přes manipulaci s laboratorními vzorky až po technologie výroby a zpracování mikroskopických i makroskopických výrobků.

V oblasti biomedicíny a laboratorní techniky obecně se zdá být využití mikromanipulace takřka na dosah ruky. Skvělou ukázkou současných možností v této oblasti mohou být například systémy OctoMag a Mini-Mag vyvíjené na ETH Zurich nebo systém Spermbot vyvíjený na IFW Dresden. Ve výrobních a zpracovatelských technologiích je však nasazení mikromanipulace pomocí velmi malých robotů často jen velmi těžko představitelné. Přesto je takřka nemožné tento směr považovat za nelogický. Trend miniaturizace vede v současné době k tomu, že výrobky, které jsou často sestavovány z jednotlivých částí nepřesahujících svou velikostí jen několik málo milimetrů, jsou vyráběny a zpracovávány roboty, kteří tuto velikost mnohonásobně přesahují. Příkladem může být například výroba elektronických součástek a desek plošných spojů. Mezi nesporné výhody mikromanipulace tak patří především šetření zdrojů, ať už se jedná o energii, materiál, čas, nebo dnes často opomíjený prostor. Za průkopnickou lze v oblasti výrobních a zpracovatelských technologií považovat platformu MicroFactory vyvíjenou výzkumným institutem SRI International.

Základním principem magnetického ovládání je silové působení řízeného magnetického pole na feromagnetické materiály. Pohybu robotu je docíleno časovou a prostorovou změnou rozložení magnetického pole. Toho lze dosáhnout změnou velikostí budicího proudu v jednotlivých cívkách nebo jen jejich cyklickým spínáním.

Dnes využívané robotické systémy jsou z mnoha ohledů naprosto fascinující, ať už se jedná o stacionární, nebo mobilní roboty. Postupný vývoj vestavěné inteligence a pohybových schopností robotů tak dnes od základu mění řadu oborů, a to nejen těch průmyslových. Za společné omezení tradičních koncepcí lze však považovat možnosti přizpůsobení se robotu předem neznámé situaci (rekonfigurovatelnost). Pod touto schopností si však nepředstavujme jen změnu prováděné operace za jinou, ale naopak schopnost vytvořit operaci zcela novou, například pomocí kolektivní spolupráce. Skvělou ukázkou tohoto přístupu je například schopnost sestavení nového robotu z již existujících, a to bez vnějšího zásahu do systému. Tato schopnost byla demonstrována na již zmíněném systému MicroFactory. V tomto ohledu lze tedy považovat robotické systémy umožňující vzájemnou spolupráci velmi malých robotů za nedostižné. Přitom lze očekávat, že právě schopnost rychle se adaptovat na nové podmínky, kterými může být například změna výrobku nebo jeho výrobního postupu, bude v budoucnosti klíčová.

TECHNIKY MIKROMANIPULACE
V současné době je výzkumu technik mikromanipulace pomocí velmi malých robotů věnována velká pozornost, a to jak v principech jejich ovládání (polohování), koncepcích miniaturních úchopových systémů a nesených nástrojů, algoritmech řízení, tak inteligenci celého systému při vzájemné spolupráci jednotlivých robotů. Pro zajištění samotného pohybu se využívá celá řada fyzikálních principů, mezi které se řadí například ovládání pomocí akustického pole, optického svazku, chemické reakce či biochemického procesu nebo elektrického a magnetického pole. Ovládání pomocí elektrického pole se využívá především na prostorových škálách v řádu mikrometrů, dnes tedy takřka výhradně v oblasti manipulace s laboratorními vzorky. Magnetické pole lze pak využít především v aplikacích, kde je vyžadována manipulace těles s velikostí od řádu mikrometrů až po milimetry, a to při velmi vysoké přesnosti.
Základním principem magnetického ovládání je silové působení řízeného magnetického pole na feromagnetické materiály, nejčastěji pak permanentní magnety. Vyvíjené systémy se liší především podle použité topologie cívek, které slouží k vytvoření magnetického pole. Pohybu robotu je pak ale vždy docíleno časovou a prostorovou změnou rozložení magnetického pole. Toho lze dosáhnout změnou velikostí budicího proudu v jednotlivých cívkách nebo jen jejich cyklickým spínáním. Mezi tyto systémy se mimo již dříve zmíněné řadí také MagMan vyvíjený na ČVUT v Praze nebo MagStriver na ZČU v Plzni.
Mezi aktuální směry výzkumu a vývoje v oblasti magneticky ovládaných robotických systémů pro mikromanipulaci pak bezesporu patří paralelní ovládání, které je stále ve svých počátcích. Mezi zkoumané techniky náleží nezávislé ovládání několika robotů na základě jejich tvarové a materiálové odlišnosti. Velmi zajímavou a aktuální technikou je pak superpozice stacionárního magnetického pole a pole časově proměnného, která by do budoucna mohla také umožnit masivní ovládání velkého množství robotů.

Ing. František MACH, Ph.D.
RICE, ZČU Plzeň