Крошечные автономные роботы: революция в микромире

Исследователи из Пенсильванского университета и Мичиганского университета совершили прорыв, создав самые маленькие в мире программируемые автономные роботы. Эти микроскопические плавающие машины способны самостоятельно распознавать и реагировать на окружающую среду, работать месяцами и стоят всего цент. Роботы, едва видимые невооруженным глазом, имеют размеры около 200 на 300 на 50 микрометров – меньше песчинки. Работая на уровне многих биологических микроорганизмов, они могут найти применение в медицине для мониторинга состояния отдельных клеток и в производстве для сборки микроскопических устройств.

Приводимые в движение светом, эти роботы оснащены миниатюрными компьютерами и могут быть запрограммированы для выполнения сложных движений, определения температуры окружающей среды и соответствующей коррекции своего пути. Описанные в научных журналах Science Robotics и Proceedings of the National Academy of Sciences, роботы функционируют без внешних привязей, магнитных полей или дистанционного управления, что делает их первыми по-настоящему автономными и программируемыми роботами такого масштаба. Как отмечает Марк Мискин, доцент электротехники и системной инженерии Пенсильванского университета, «мы создали автономных роботов в 10 000 раз меньше. Это открывает совершенно новый масштаб для программируемых роботов».

Преодоление субмиллиметрового барьера

Электроника неуклонно уменьшается в размерах на протяжении десятилетий, однако робототехника с трудом поспевала за этим прогрессом. «Создание роботов, способных самостоятельно функционировать на размерах менее миллиметра, чрезвычайно сложно, — говорит Мискин. — Эта проблема оставалась нерешенной около 40 лет».

Силы, доминирующие в нашем мире, такие как гравитация и инерция, зависят от объема. Однако при уменьшении до клеточного масштаба начинают преобладать силы, связанные с площадью поверхности, такие как сопротивление и вязкость. «Если вы достаточно малы, то движение в воде подобно движению в смоле», — поясняет Мискин. Стратегии, которые используются для перемещения крупных роботов, например, конечности, редко бывают эффективными на микроуровне. «Очень маленькие ножки и руки легко ломаются, и их крайне сложно изготовить», — добавляет он.

Поэтому команда разработала совершенно новую систему движения, которая работает в гармонии с уникальной физикой микроскопического перемещения.

Создание «плавающих» роботов

Крупные водные обитатели, такие как рыбы, перемещаются, отталкивая воду позади себя. Согласно третьему закону Ньютона, вода оказывает на рыбу равное и противоположное воздействие, что и приводит ее в движение. Новые роботы, напротив, не используют изгибание тела. Вместо этого они генерируют электрическое поле, которое воздействует на ионы в окружающей среде. Эти ионы, в свою очередь, толкают близлежащие молекулы воды, оживляя воду вокруг тела робота. «Это похоже на то, как если бы робот находился в движущейся реке, но при этом сам создавал движение этой реки», — говорит Мискин.

Роботы могут регулировать электрическое поле, позволяя им двигаться сложными траекториями и даже перемещаться скоординированными группами, подобно стае рыб, со скоростью до одной длины тела в секунду. Поскольку электроды, генерирующие поле, не имеют движущихся частей, роботы отличаются исключительной прочностью. «Вы можете многократно переносить этих роботов из одного образца в другой с помощью микропипетки, не повреждая их», — отмечает Мискин. Заряжаясь от светодиода, роботы могут плавать месяцами.

«Мозги» для роботов

Для истинной автономии роботу необходим компьютер для принятия решений, электроника для восприятия окружающей среды и управления движением, а также крошечные солнечные панели для питания всего этого. И все это должно умещаться на чипе размером с долю миллиметра. Здесь на помощь пришла команда Дэвида Блау из Мичиганского университета, чья лаборатория владеет рекордом по созданию самого маленького в мире компьютера.

Когда Мискин и Блау впервые встретились на презентации Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) пять лет назад, они сразу поняли, что их технологии идеально дополняют друг друга. «Мы увидели, что система движения Пенсильванского университета и наши миниатюрные электронные компьютеры просто созданы друг для друга», — говорит Блау. Тем не менее, потребовалось пять лет напряженной работы с обеих сторон, чтобы создать первого работающего робота.

«Ключевой проблемой для электроники было то, что солнечные панели очень малы и производят всего 75 нановатт мощности. Это более чем в 100 000 раз меньше мощности, потребляемой смарт-часами», — поясняет Блау. Чтобы заставить компьютер робота работать от такого малого количества энергии, команда из Мичигана разработала специальные схемы, работающие при чрезвычайно низких напряжениях, что снизило энергопотребление компьютера более чем в 1000 раз.

Тем не менее, солнечные панели занимают большую часть площади робота. Поэтому второй задачей стало размещение процессора и памяти для хранения программы в оставшемся небольшом пространстве. «Нам пришлось полностью пересмотреть команды компьютерной программы, — говорит Блау, — сжимая то, что обычно требует множества инструкций для управления движением, в одну специальную инструкцию, чтобы сократить длину программы и уместить ее в крошечной памяти робота».

Роботы, которые чувствуют, запоминают и реагируют

Эти инновации позволили создать первый субмиллиметровый робот, способный по-настоящему «думать». Насколько известно исследователям, никто ранее не встраивал настоящий компьютер — процессор, память и датчики — в робота такого размера. Этот прорыв делает эти устройства первыми микроскопическими роботами, способными самостоятельно воспринимать и действовать.

Роботы оснащены электронными датчиками, которые могут определять температуру с точностью до трети градуса Цельсия. Это позволяет роботам двигаться в сторону более высоких температур или передавать информацию о температуре, которая может служить индикатором клеточной активности, позволяя им отслеживать состояние отдельных клеток. «Для передачи показаний температуры мы разработали специальную компьютерную инструкцию, которая кодирует значение, например, измеренную температуру, в колебаниях небольшого танца, который выполняет робот», — говорит Блау. «Затем мы наблюдаем этот танец через микроскоп с камерой и декодируем из колебаний то, что говорят нам роботы. Это очень похоже на то, как общаются пчелы-медоносы».

Роботы программируются с помощью световых импульсов, которые также их питают. Каждый робот имеет уникальный адрес, позволяющий исследователям загружать разные программы на каждый робот. «Это открывает множество возможностей, — добавляет Блау, — когда каждый робот потенциально может выполнять свою роль в более крупной, совместной задаче».

Только начало

Будущие версии роботов смогут хранить более сложные программы, двигаться быстрее, интегрировать новые датчики или работать в более сложных условиях. По сути, текущая конструкция представляет собой универсальную платформу: ее система движения безупречно работает с электроникой, ее схемы могут быть дешево изготовлены в больших масштабах, а ее дизайн допускает добавление новых возможностей. «Это действительно только первая глава, — говорит Мискин. — Мы показали, что можно поместить мозг, датчик и двигатель в нечто почти невидимое, и оно будет работать месяцами. Имея такую основу, можно добавлять всевозможный интеллект и функциональность. Это открывает дверь в совершенно новое будущее робототехники на микроуровне».

*Признаны экстремистскими организациями и запрещены на территории РФ.