Биоинженеры создали самых маленьких автономных роботов в мире
Ученые из США представили микроскопических роботов, которые способны воспринимать окружающую среду, обрабатывать сенсорные данные и выполнять задачи без внешнего управления. По словам авторов проекта, это самые маленькие в мире полностью программируемые и автономные роботы, когда-либо созданные. Результаты были опубликованы в журнале Science Robotics.
Машина почти невидимого размера
Каждый робот представляет собой тонкую прямоугольную пластину размером примерно 0,2×0,3×0,05 миллиметра. Он лишь немного заметен невооруженным глазом и сопоставим по масштабу с микроорганизмами. Несмотря на это, устройство содержит полный набор элементов автономной машины: источник энергии, датчики, вычислительный «мозг» и систему движения.
Роботы изготавливаются с использованием стандартных микроэлектронных технологий, что позволяет производить их партиями на одном листе материала. По оценке разработчиков, стоимость одного экземпляра может составлять менее доллара, а срок автономной работы — несколько месяцев.
Почему микророботам трудно двигаться
На микроскопическом уровне физика работает иначе. В воде сопротивление и вязкость настолько велики, что движение напоминает попытку плыть сквозь густой сироп. Именно эта проблема десятилетиями ограничивала развитие микроробототехники, несмотря на успехи в миниатюризации электроники.
Команда Марка Мискина предложила принципиально иной подход. Вместо механических движущихся частей роботы создают электрическое поле, которое приводит в движение ионы в окружающей жидкости. Эти ионы передают импульс молекулам воды, формируя тягу. Таким образом робот буквально «двигает воду», а не отталкивается от нее. Этот механизм подробно описан в журнале PNAS.
«Нам удалось уменьшить размеры автономных роботов примерно в 10 000 раз. Это открывает совершенно новые возможности для программируемых систем», — говорит Марк Мискин, доцент Пенсильванского университета
Миниатюрный «мозг» и питание от света
Вычислительную часть разработали специалисты из Университета Мичигана. Программа робота работает при мощности около 75 нановатт — примерно в 100 000 раз меньше, чем у умных часов. Чтобы собрать даже такую энергию, значительную часть поверхности занимают микроскопические солнечные элементы. Они же используются как оптические датчики для приема команд.
Программирование осуществляется с помощью световых импульсов. Каждый робот имеет уникальный идентификатор, что позволяет адресно задавать инструкции отдельным устройствам внутри группы и распределять роли между ними.
«Нам пришлось полностью переосмыслить компьютерные инструкции, сведя сложные команды к единичным операциям, чтобы они уместились в крошечной памяти», — поясняет Дэвид Блау, один из ведущих авторов исследования.
От клеток до промышленности
Роботы способны двигаться по сложным траекториям, координировать действия в группе и измерять температуру с точностью до трети градуса Цельсия. В экспериментах они передавали данные, слегка покачиваясь, — по аналогии с «танцем виляния», который используют медоносные пчелы.
Главное преимущество этих устройств — их микроскопический масштаб. При размерах, сопоставимых с клетками и микроорганизмами, роботы могут работать там, где обычная техника бессильна. В медицине это открывает возможности точечного мониторинга биологических процессов. Такие системы способны измерять температуру и химические изменения на уровне отдельных клеток, что в перспективе позволит отслеживать воспаления, рост опухолей и реакцию тканей на лечение без хирургического вмешательства.
В фармакологии микророботы могут применяться для тестирования лекарств в клеточной среде и, в будущем, для адресной доставки активных веществ. Их способность работать группами делает возможным коллективный сбор данных и распределение задач.
Промышленность — еще одно важное направление. Микророботы подходят для сборки и контроля микроустройств, проверки труднодоступных участков микросхем и ранней диагностики дефектов. Низкая стоимость и автономность позволяют использовать сотни и тысячи таких устройств одновременно.
Кроме того, микророботы представляют интерес для фундаментальной науки, позволяя изучать физические и биологические процессы на микроуровне и служа основой для будущих роящихся роботизированных систем.
«Это только первая глава. Мы показали, что можно поместить мозг, датчик и двигатель в объект, который почти невозможно увидеть. Дальше возможности будут только расширяться», — подчеркивает Мискин.
