Подобно волнам, проносящимся по крошечным толпам на стадионе, микроскопические машины, разработанные исследователями Корнелла, могут автономно синхронизировать свои движения, открывая новые возможности для использования микророботов в доставке лекарств, смешивании химических веществ и восстановлении окружающей среды, а также в других областях.

Исследование стало первым, в котором продемонстрирована синхронизация в микроскопических машинах, оснащенных комплементарными металл-оксид-полупроводниковыми осцилляторами, согласно исследованию, опубликованному 27 ноября в журнале Science Robotics старшими авторами Алиссой Эпсель, профессором инженерии IBM и директором Школы электротехники и вычислительной техники, и Итаи Коэном, профессором физики в Колледже искусств и наук и заведующим кафедрой технологий дизайна.

Машины координируют работу, обмениваясь электронными импульсами, пока вся система не будет выровнена с самым быстрым осциллятором. Каждая машина оснащена приводом сгибающейся лопасти толщиной всего 7 нанометров, который сгибается при активации, имитируя движение человека, сидящего и стоящего во время стадионной волны.

«Эти генераторы имеют очень низкую мощность — субнановатт — и работают с низкой сложностью», — сказал Апсель. «По сути, мы проектируем локальные системы синхронизации, которые взаимодействуют друг с другом для создания глобального поведения. Этот подход идеально подходит для микромасштабных машин, которым не хватает мощности, возможностей или пространства для проводной связи на больших расстояниях».

Синхронизация основана на импульсной технике связи, в которой осцилляторы посылают периодические электронные сигналы, которые регулируют синхронизацию соседних машин, выравнивая их движения без необходимости централизованного управления. Стратегия была вдохновлена ​​более ранней работой над связанными системами осцилляторов математиков, в том числе из Корнелла, которые разработали теоретические основы для моделирования «внутренних часов» в природных явлениях, таких как синхронное мигание светлячков или синхронное биение сердечных клеток.

«Этот децентрализованный подход позволяет системе самокорректироваться и поддерживать синхронизацию даже при изменении условий или возникновении внешних возмущений», — сказал Милад Тагави, доктор философии 21 года, который руководил исследованием совместно с Вэй Ваном, доктором философии 23 года.

«Если группа разорвется, эта технология гарантирует, что каждая подгруппа сможет продолжить синхронизацию независимо. Со временем, если группы восстановят соединение, общие импульсы позволят им беспрепятственно восстановить синхронизацию».

Исследователи успешно синхронизировали массивы до 16 микромашин как в линейных, так и в двумерных конфигурациях, и заявили, что для масштабирования до более крупных сетей требуются минимальные корректировки. Эта масштабируемость позволяет координировать все более сложные рои микророботов, позволяя использовать такие приложения, как жидкостный транспорт для доставки лекарств , химическое смешивание и очистка окружающей среды, а также совместное строительство в микромасштабе.

«Это также открывает путь к созданию эластичных материалов, в которых электроника встроена в каждый материальный элемент, что позволяет создавать новые виды поведения, которые невозможно реализовать в естественных системах», — сказал Коэн.

По словам Эпсела, исследователи планируют продолжить работу над микромашинами, а будущие проекты потенциально будут включать создание скоординированных микророботов, имитирующих гусениц, или даже микророботов, способных разделяться на несколько автономных частей.

«Инженеры достигли огромных успехов в создании этих крошечных машин, которые могут двигаться и даже чувствовать окружающую среду, но трудно найти действительно элегантные методы, чтобы заставить их работать коллективно», — сказал Апсель. «Эта статья показывает, что вы можете использовать идеи из биологии, идеи из природы и эксплуатировать их для демонстрации коллективного поведения».