Создание роя полностью автономных роботов размером менее миллиметра кажется дорогостоящей, если не невыполнимой задачей. Однако команда учёных из Университета Пенсильвании и Мичиганского университета не только создала новое поколение рекордно маленьких солнечных машин. Производство каждого робота обходится всего в один цент. Такие роботы могут помочь в развитии нанотехнологий и медицинских исследований.
По словам инженера из Университета Пенсильвании Марка Мискина, прорыв их команды также положил конец многолетней проблеме робототехники: «Создание роботов, которые работают независимо в размерах менее одного миллиметра, невероятно сложно. Эта область застряла на этой проблеме в течение 40 лет».
Площадь поверхности — помеха
Как недавно подробно описали Мискин и его коллеги в журналах Science Robotics и Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), основная проблема создания полностью автономного робота такого размера — это вопрос физики. Значимые объекты, включая человека, движутся в мире, где преобладают силы инерции и гравитации. Чем меньше что-то становится, тем больше на него влияют такие факторы, как вязкость и сопротивление.
«Если вы достаточно малы, то толкать воду — всё равно что проталкиваться через смолу», — пояснил Мискин. Это означает, что, хотя такие конструкции, как руки и ноги, хорошо подходят для работы с гравитацией и инерцией, подобные конечности становятся слишком хрупкими в микромасштабе.
Каждый робот имеет размеры около 200 на 300 на 50 микрометров, что меньше крупинки соли. Даже при таких размерах машины способны преобразовывать энергию от крошечных солнечных панелей в электрическое поле при погружении в раствор. Электричество толкает близлежащие ионы, которые затем перемещают молекулы воды вокруг, чтобы привести робота в движение.
Роботы также могут двигаться не только вперёд и назад. Регулируя электрическое поле, каждый робот может двигаться поодиночке или по сложным схемам вместе, как стая рыб. «Это как будто робот находится в движущейся реке, но робот также заставляет реку двигаться», — сказал Мискин.
75 нановатт мощности
Миниатюризация компьютеров связана с пространством. Чем меньше компьютер, тем меньше места для источников питания, памяти и схем. Неудивительно, что это создало проблему для дизайнеров.
«Ключевой задачей для электроники является то, что солнечные панели крошечные и производят всего 75 нановатт мощности», — добавил инженер из Мичиганского университета Дэвид Блау. «Это более чем в 100 000 раз меньше мощности, чем потребляет смарт-часы».
Для решения проблемы потребовались совершенно новые схемы, работающие при низком напряжении, что позволило снизить потребности робота в энергии более чем в 1000 раз по сравнению с первоначальными требованиями.
Роботы-микробы танцуют
Текущие версии микроскопических роботов оснащены датчиками, позволяющими им определять температуру с точностью до трети градуса Цельсия. Это гипотетически позволило бы рою перемещаться по раствору в сторону областей с более высокой температурой — часто это показатель клеточной активности — и сообщать о состоянии отдельных клеток.
«Это очень похоже на то, как пчёлы-медоносы общаются друг с другом», — сказал Блау. «Чтобы сообщить о своих измерениях температуры, мы разработали специальную компьютерную инструкцию, которая кодирует значение, такое как измеренная температура, в извиваниях небольшого танца, который исполняет робот. Затем мы смотрим на этот танец в микроскоп с камерой и декодируем из извиваний то, что роботы нам говорят».
Как бы впечатляюще ни были мини-боты, Мискин и Блау надеются, что это только начало совершенно новой области возможностей. Продолжение улучшений и экспериментов может привести к созданию более быстрых и сложных роботов, оснащённых дополнительными датчиками, которые позволят им маневрировать в всё более сложных условиях.
«Мы показали, что можно поместить мозг, датчик и двигатель в нечто, что почти невозможно увидеть, и заставить его работать в течение месяцев», — сказал Мискин. «Как только у вас появится такая основа, вы сможете добавить всевозможные интеллектуальные функции и возможности».