Řízení pro distribuovanou (mikro)manipulaci

Klasické robotické přístupy pro manipulaci s objekty, jako třeba uchopit nějaký předmět pomocí robotického manipulátoru a přemístit jej, mají svá omezení. Nehodí se například pro mikroskopické objekty či křehké rozměrné objekty a ani s nimi nelze realizovat manipulaci s mnoha předměty najednou, což motivuje výzkum v oblasti tzv. distribuované manipulace. Při distribuované manipulaci jsou pohony rozprostřené v prostoru místo toho, že by byly soustředěné v jednom či několika málo místech. Funkci takového manipulátoru lze připodobnit k chování davu fanoušků, kteří na koncertu nesou na rukou svou rockovou hvězdu poté, co ona mezi ně z pódia skočila (viz crowd surfing, stage diving). Zatímco na koncertě není třeba, aby manipulaci se zpěvákem někdo řídil, u technických zařízení se o to musí postarat nějaký systém. Výzkumem takových systémů se zabýváme ve skupině AA4CC na Katedře řídicí techniky, FEL.

Výzkum v oblasti distribuované manipulace se začal extenzivně rozvíjet v 90. letech, kdy se objevily zajímavé manipulátory založené například na individuálně řízených bimorfních řasinkách (cilia) vyrobených ve stovkách na integrovaném obvodu. Dnes se tomuto oboru věnuje řada vědeckých týmů po celém světe a některé související práce jste mohli vidět i v populárních technologických magazínech. Jmenujme například systém inFORM z MIT Media Lab (http://tangible.media.mit.edu/project/inform) nebo WaveHandling od firmy Festo (www.festo.com/en/wavehandling).

Řízením distribuované manipulace a mikromanipulace jsme se začali v naší skupině AA4CC (Advanced Algorithms for Control and Communications, http://aa4cc.dce.fel.cvut.cz/) věnovat díky evropskému výzkumnému projektu Golem. Cílem konsorcia projektových partnerů bylo prozkoumat přírodou inspirované metody pro samo-skládání komponent o velikosti v řádu desítek až stovek mikrometrů. Samo-skládání komponent je vnímáno jako výhodné především kvůli úspoře času, který by byl nutný při použití standardních metod, jako je například postupné umísťování komponent do cílových pozic (tzv. pick-and-place). Základní myšlenkou bylo vybavit jednotlivé součástky selektivním lepidlem na bázi DNA definujícím, které části k sobě patří. Naším úkolem bylo tyto komponenty rozhýbat dostatečně náhodně, aby mohly najít svá místa.

Získané know-how můžeme nyní zúročit v projektu Biocentex (Centrum excelence pro výzkum bioanalytických metod, http://biocentex.cz/) podpořeném Grantovou agenturou ČR, kde spolupracujeme s dalšími dvěma partnery – Oddělením bioanalytické instrumentace z Ústavu analytické chemie AVČR a Ústavem biochemie z Přírodovědecké fakulty MU. Společnými silami pracujeme na zlepšování metod pro analýzu biologického materiálu. Jedním z našich cílů je například vytvořit systém, který umožní analyzovat množstí rakovinných buněk v krvi.

Prostředkem pro distribuovanou (někdy též paralelní) manipulaci je tzv. pole aktuátorů, tedy množství akčních členů rozmístěných v prostoru, často například do pravidelné čtvercové mřížky. Těmito aktuátory mohou být všesměrová kola, která slouží pro přepravu balíků, vzduchové trysky sloužící pro transport skleněných nebo křemíkových desek, či mikroštětinky umožňující manipulaci s mikroskopickými objekty. V naší skupině se zaměřujeme na dva fyzikální fenomény.

Prvním z nich je jev zvaný dielektroforéza, při níž dochází k silovému působení na elektricky neutrální, ale polarizovatelné částice v nehomogenním elektrickém poli. Na první pohled může být překvapivé, že lze pomocí elektrického pole pohybovat i s nenabitými částicemi, ale většina z nás tento jev dobře zná z jednoduchého experimentu, kdy hřeben, kterým jsme si pročesali suché vlasy, k sobě přitahuje malé kousky papíru. V praxi se tento jev (samozřejmě už bez hřebenu) využívá například pro separaci a transport buněk.

Náš manipulátor se skládá ze sady elektrod, které mají rozměry řádově v desítkách mikrometrů. Pro jejich výrobu používáme různé metody – například ablaci excimerním laserem nebo litografii. Elektrody slouží k vytváření elektrického pole, v němž jsou umístěny objekty, se kterými pohybujeme. Abychom mohli pohyb a tedy polohu jednotlivých součástek řídit, musíme být schopni odpovídajícím způsobem nastavovat napětí na všech elektrodách, kterých je třeba i několik desítek. O to se stará řídicí algoritmus, který na základě znalosti matematického modelu a aktuální polohy objektu hledá pomocí numerické optimalizace vhodná napětí, aby se objekty chovaly podle požadavků.

Pro měření polohy využíváme počítačové zpracování obrazu z kamery umístěné na mikroskopu. Optika nutná pro sledování mikroskopických objektů je relativně nákladnou položkou, a proto jsme s ohledem na možnosti budoucí komercializace začali prozkoumávat možnosti tzv. bezčočkové (lensless) mikroskopie. Pro sledování objektů o velikosti v desítkách mikrometrů nám pak stačí běžný levný čip z kamery bez další optiky. Bonusem je, že se nám podařilo do systému implementovat i měření vzdálenosti objektů od čipu – levitační výšky; za pomoci 2D senzoru tedy získáváme informaci o poloze ve 3D. K měření vzdálenosti jsme nejprve zkoušeli využít analýzu interferenčních obrazců, které se mění se vzdáleností od objektů čipu, ale posléze se jako výhodnější ukázala metoda založená na využití více zdrojů světla v různých polohách a triangulaci.

Získané know-how v oblasti mikromanipulace jsme zúročili rovněž při účasti na mezinárodní soutěži mikrorobotů Mobile Microrobotics Challenge nejdříve v roce 2012, kdy byla pořádána ještě pod záštitou institutu NIST v St. Paul ve státě Minnesota v USA, a pak v roce 2013, když již začala být organizována společností IEEE RAS v Karlsruhe v Německu. Na soutěži jsme se utkali s týmy z institucí jako Carnegie Mellon, francouzské CNRS, nebo U. S. Naval Academy a předvedli jsme, že naše řešení je kompetitivní s tím, co dnes zvládají další světové týmy. V obou případech se soutěž konala v rámci prestižní robotické konference IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Úkolem soutěžních týmů bylo s „robotem“ menším než 500 mikrometrů projet v daném pořadí čtveřici branek, které byly umístěné na „hracím poli“ o velikosti 3 × 4 mm.

Vedle elektrického pole pracujeme také s polem magnetickým. Pro experimenty využíváme laboratorní platformu skládající se z matice elektromagnetů, nad kterými se po rovné ploše odvaluje jedna nebo několik ocelových kuliček. Proud tekoucí každou z cívek je možné nastavovat pomocí řídicího systému a poloha kuliček je měřena buď pomocí dotykové fólie, nebo opět pomocí kamery a počítačového vidění.

Video o této platformě, kterou pracovně nazýváme Magman od spojení Magnetic Manipulator, vyhrálo v roce 2013 mezinárodní soutěž Matlab and Simulink Student Design Challenge. Platforma se dostala do pozornosti odborné veřejnosti nejen díky tomuto videu, ale i díky tomu, že jsme ji vystavovali na stánku firmy Mathworks v průběhu prestižní vědecké konference IEEE Conference on Decision and Control (CDC) ve Florencii v Itálii. Zmíněné video slavilo úspěch i o rok později v soutěži IEEE Control Systems Society Video Contest, kde bylo vybráno mezi sedm finalistů. O naši experimentální platformu projevili zájem například odborníci ze Slovenské technické univerzity v Bratislavě, kteří pro tento systém vyvíjejí speciální prediktivní regulátor nebo kolegové z TU Delft, kteří se rozhodli postavit si zjednodušené zařízení Magman pro experimenty s tzv. reinforcement lerning.

Magman však není zajímavý jen jako testovací platforma pro výuku a výzkum v oblasti distribuované manipulace. Nyní pracujeme na úpravě uspořádání elektromagnetů, aby se platforma dala použít i pro manipulaci s mikroskopickými magnetickými objekty, což je opět motivováno snahou využít ji pro účely analýzy, konkrétně třídění, buněk. Vedle toho je možné platformu využít i k více hravým či uměleckým záměrům – dovoluje například vytvářet vizuálně zajímavé dynamické scény ve spojení s magnetickou kapalinou (ferrofluid). Toho využili filmaři připravující sérii dokumentů o výzkumu na FEL ČVUT nazvaném Jednou nohou v absolutnu (http://www.fel.cvut.cz/cz/film/) pro přípravu znělky této série.

Výzkum v oblasti distribuované manipulace a mikromanipulace v naší skupině AA4CC má tedy mnoho tváří. Od hledání matematických modelů, návrhu algoritmů pro řízení, realizaci elektronických obvodů, výrobu laboratorních prototypů s využitím technologií pro mikrosystémy, až po laboratorní experimenty s elektrickým a magnetickým polem, kdy navíc úzce spolupracujeme se specialisty na bioanalytické metody. Jsme pyšní, že se výzkumu v naší skupině účastní také nadaní bakalářští (za bakalářskou práci, která souvisela s účastí na mikrorobotické soutěži, získal Jakub Drs pod vedením Jiřího Zemánka cenu Josefa Hlávky) a magisterští studenti v rámci studentských projektů, závěrečných prací, nebo prázdninových stáží a těšíme se, kam dále nás výzkum v této oblasti zavede.