Инженеры создали самых маленьких в мире программируемых автономных роботов
Маленькие роботы, большие надежды: микронные компьютеры учатся самостоятельности
В мире, где гаджеты стремятся стать меньше и умнее, группа ученых из Пенсильванского и Мичиганского университетов совершила прорыв, который почти невидим невооруженным глазом. Они создали самых крошечных в мире автономных и программируемых роботов, каждый размером с толщину двух человеческих волос. Но их истинное величие — не в микроскопических габаритах, а в способности самостоятельно воспринимать, «думать» и действовать внутри организма, открывая футуристические перспективы от медицины до микроинженерии.
Основная проблема, десятилетиями стоявшая перед учеными, — заставить объекты такого масштаба двигаться автономно. В микромире физические законы играют по иным правилам: сопротивление и вязкость жидкостей становятся непреодолимыми барьерами, сравнимыми с попыткой человека проплыть через густую смолу. Команда из Пенсильванского университета нашла элегантное решение, разработав принципиально новую двигательную систему. Их микророботы, питаемые светом от светодиодов, работают в растворе перекиси водорода. Они генерируют управляемое электрическое поле, которое приводит в движение ионы в растворе, а те, в свою очередь, увлекают за собой молекулы воды. Это позволяет роботам не только перемещаться со скоростью до одного корпуса в секунду, но и двигаться по сложным траекториям, и даже координировать действия в группах.
Однако движение — лишь часть автономии. Для того чтобы «думать», роботу нужен компьютер. И здесь в игру вступили специалисты из Мичиганского университета во главе с Дэвидом Блау, предоставившие самый маленький в мире компьютер. Их микрокомпьютер, адаптированный для этой системы, представляет собой полноценный вычислительный чип размером менее миллиметра, содержащий процессор, память и датчики. Энергетический вызов был колоссальным: крошечные солнечные панели робота вырабатывают лишь 75 нановатт энергии. Инженерам удалось снизить энергопотребление схем более чем в 1000 раз, заставив их работать при чрезвычайно низком напряжении.
Поразительно, но эта передовая технология оказалась удивительно доступной. Хотя каждый робот в массовом производстве может стоить около цента, ожидалось, что оборудование для управления им будет баснословно дорогим. Профессор Марк Мискин, ведущий автор исследования, опроверг это предположение. Его команда создала рабочую установку ценой всего за 100 долларов, используя обычные светодиоды, микрокомпьютер Raspberry Pi и камеру смартфона с макрообъективом. Эта система, как отмечает Мискин, работает не хуже специализированного микроскопа за 100 000 долларов, поскольку сам робот выполняет всю сложную работу, не требуя тотального внешнего контроля.
Микророботы уже оснащены чувствительными датчиками, способными, к примеру, фиксировать колебания температуры с точностью до трети градуса Цельсия, что потенциально позволяет мониторить состояние отдельных клеток. Но путь к медицинскому применению пока преграждают два ключевых препятствия. Во-первых, как и живые клетки, роботы зависят от постоянного притока энергии — в данном случае света. Выключение освещения приводит к отключению и полной очистке их памяти.
Во-вторых, их двигательная система пока работает на растворе перекиси водорода, токсичном для живых тканей. Однако исследователи уверены, что эти барьеры преодолимы. Интегрированная электронная система позволяет заменять приводы на биосовместимые аналоги, и работа в этом направлении уже ведется.
Каждый из этих роботов, едва различимый невооруженным глазом, имеет размеры примерно 200 х 300 х 50 микрометров, что меньше крупинки соли. Работая в масштабе многих биологических микроорганизмов, эти роботы могли бы способствовать развитию медицины, отслеживая состояние отдельных клеток.
Заглядывая в будущее, ученые видят перспективы не только в биомедицине, но и в революции микроскопического производства. Сегодня микросхемы и компоненты создаются монолитно, цельными пластами, где любое изменение требует полного перепроектирования. Армия программируемых микророботов могла бы собирать сложные микроустройства по модульному принципу, подобно строительным блокам. Это могло бы кардинально снизить стоимость, ускорить процесс разработки и изменить подход к защите интеллектуальной собственности.
«Микромасштаб — это удивительная область, — заключает Марк Мискин. — Наличие маленьких агентов, которых люди могут программировать и контролировать, может открыть множество замечательных возможностей. Я с осторожным оптимизмом полагаю, что лучшие приложения еще предстоит придумать». Эти почти невидимые роботы, рожденные на стыке механики, электроники и компьютерных наук, действительно могут стать тихой, но фундаментальной революцией в том, как мы взаимодействуем с самым малым.