Мировые миниатюрные автономные микророботы: 200 мкм пловцы, работающие месяцами

Robotics & Automation INSIDER

Микроробот на американской монете в 1 цент, показывающий масштаб. (Изображение: Michael Simari, Университет Мичигана)

Исследователи Университета Пенсильвании и Университета Мичигана создали самые маленькие в мире полностью программируемые, автономные роботы: микроскопические плавцы, которые могут независимо чувствовать и реагировать на окружение, работать месяцами и стоят всего один цент. Едва заметные невооружённым глазом, каждый робот измеряет примерно 200 на 300 на 50 микрометров, меньше зерна соли. Работая на масштабе многих биологических микроорганизмов, роботы могут продвинуть медицину, мониторя здоровье отдельных клеток, и производство, помогая строить микромасштабные устройства.

Питание от света, роботы несут микроскопические компьютеры и могут быть запрограммированы для движения в сложных паттернах, чувствия локальных температур и соответствующей корректировки своих путей.

Описанные в Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), роботы работают без тёзок, магнитных полей или джойстико-подобного внешнего управления, делая их первыми по-настоящему автономными, программируемыми роботами в этом масштабе.

Десятилетиями электроника становилась всё меньше и меньше, но робототехнике было трудно следовать за темпом. «Создание роботов, работающих независимо в размерах ниже одного миллиметра, невероятно сложно», — сказал Мискин. «Область по сути застряла на этой проблеме на 40 лет».

Силы, доминирующие в человеческом мире, как гравитация и инерция, зависят от объёма. Уменьшьтесь до размера клетки, и силы, связанные с площадью поверхности, как сопротивление и вязкость, берут верх. «Если ты достаточно мал, толкание воды — как толкание через смолу», — сказал Мискин. Другими словами, на микромасштабе стратегии, двигающие более крупных роботов, вроде конечностей, редко успевают. «Очень крошевые ноги и руки легко ломаются», — говорит Мискин. «Они также очень трудно построить». Поэтому команде пришлось спроектировать полностью новую систему движения, работающую с — а не против — уникальной физикой локомоции в микроскопической области.

Крупные водные существа, как рыбы, двигаются, толкая воду позади себя. Благодаря третьему закону Ньютона, вода оказывает равную и противоположную силу на рыбу, толкая её вперёд. Новые роботы, напротив, не изгибают свои тела вовсе. Вместо этого они генерируют электрическое поле, которое подталкивает ионы в окружающем растворе. Те ионы, в свою очередь, давят на близкие молекулы воды, оживляя воду вокруг тела робота. «Это как если бы робот был в движущейся реке», — говорит Мискин, «но робот также заставляет реку двигаться».

Роботы могут регулировать электрическое поле, вызывающее эффект, позволяя им двигаться в сложных паттернах и даже путешествовать в координированных группах, очень похоже на стаю рыб, со скоростью до одной длины тела в секунду.

И поскольку электроды, генерирующие поле, не имеют движущихся частей, роботы невероятно долговечны. «Вы можете многократно переносить этих роботов из одного образца в другой с помощью микропипетки без повреждения их», — говорит Мискин. Заряжаемые светом светодиода, роботы могут продолжать плавание месяцами.

Чтобы быть по-настоящему автономным, роботу нужен компьютер для принятия решений, электроника для ощущения окружения и контроля движения, и крошечные солнечные панели для питания всего этого, и всё это должно поместиться на чипе, размером в долю миллиметра. Здесь в игру вступила команда Дэвида Блау в Университете Мичигана.

Лаборатория Блау держит рекорд мирового самого маленького компьютера. Когда Мискин и Блау впервые встретились на презентации, организованной Агентством передовых исследовательских проектов обороны (DARPA) пять лет назад, пара сразу поняла, что их технологии идеально дополняют друг друга. «Мы увидели, что система движения Penn Engineering и наши крошечные электронные компьютеры просто созданы друг для друга», — сказал Блау. Тем не менее, потребовалось пять лет тяжелой работы с обеих сторон, чтобы доставить их первого работающего робота.

«Ключевой вызов для электроники», — сказал Блау, «в том, что солнечные панели крошечны и производят всего 75 нановатт мощности. Это более 100 000 раз меньше мощности, чем потребляют умные часы». Для запуска компьютера робота на таком малом питании команда Мичигана разработала специальные схемы, работающие на экстремально низких напряжениях и снижающие потребление компьютера более чем в 1000 раз.

Тем не менее, солнечные панели занимают большинство места на роботе. Поэтому вторым вызовом было уместить процессор и память для хранения программы в маленьком оставшемся пространстве. «Нам пришлось полностью передумать инструкции компьютерной программы», — сказал Блау, «сжимая то, что традиционно требовало бы многих инструкций для контроля движения, в одну специальную инструкцию, чтобы сократить длину программы, чтобы она поместилась в крошечную память робота».

Что эти инновации сделали возможным — это первый субмиллиметровый робот, который может фактически думать. Насколько известно исследователям, никто ранее не помещал настоящий компьютер — процессор, память и сенсоры — в робот такого размера. Этот прорыв делает эти устройства первыми микроскопическими роботами, способными чувствовать и действовать сами за себя.

Роботы имеют электронные сенсоры, обнаруживающие температуру с точностью до трети градуса Цельсия. Это позволяет роботам двигаться к областям возрастающей температуры или сообщать температуру — прокси для клеточной активности — позволяя им мониторить здоровье отдельных клеток.

«Чтобы сообщать свои измерения температуры, мы спроектировали специальную компьютерную инструкцию, кодирующую значение, такое как измеренная температура, в вигах маленького танца, который выполняет робот», — говорит Блау. «Затем мы смотрим на этот танец через микроскоп с камерой и декодируем из вигов, что роботы говорят нам. Это очень похоже на то, как пчёлы общаются друг с другом».

Роботы программируются импульсами света, которые также их питают. У каждого робота уникальный адрес, позволяющий исследователям загружать разные программы на каждый из них. «Это открывает множество возможностей», — добавил Блау, «с каждым роботом, потенциально выполняющим разную роль в более крупной совместной задаче».

Будущие версии роботов могут хранить более сложные программы, двигаться быстрее, интегрировать новые сенсоры или работать в более сложных средах. По сути, текущий дизайн — общая платформа: её система движения бесшовно работает с электроникой, её схемы могут быть дешево изготовлены в масштабе, и её дизайн позволяет добавлять новые возможности.

«Это действительно только первая глава», — сказал Мискин. «Мы показали, что можно поместить мозг, сенсор и мотор во что-то почти слишком маленькое для зрения, и заставить его выживать и работать месяцами. Как только у тебя есть эта основа, можно наслаивать все виды интеллекта и функциональности. Это открывает дверь к совершенно новому будущему робототехники в микромасштабе».

Источник