Исследователи из Университета Пенсильвании и Мичиганского университета создали самых маленьких в мире полностью программируемых автономных роботов: микроскопические плавающие машины, способные самостоятельно воспринимать окружающую среду и реагировать на нее, работать в течение нескольких месяцев и стоить всего один цент каждый.

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, и производства, помогая создавать микроскопические устройства.

Роботы, питаемые светом, оснащены микроскопическими компьютерами и могут быть запрограммированы на движение по сложным траекториям, определение локальной температуры и соответствующую корректировку маршрута.

Описанные в журналах Science Robotics и Proceedings of the National Academy of Sciences, эти роботы работают без тросов, магнитных полей или внешнего управления, подобного джойстику, что делает их первыми по-настоящему автономными, программируемыми роботами такого масштаба.

«Нам удалось уменьшить размеры автономных роботов в 10 000 раз», — говорит Марк Мискин, доцент кафедры электротехники и системотехники в инженерном факультете Пенсильванского университета и старший автор статей. «Это открывает совершенно новые возможности для программируемых роботов».

Преодоление субмиллиметрового барьера

На протяжении десятилетий электронные компоненты становились все меньше и меньше, но роботы с трудом успевали за этим прогрессом. «Создание роботов, способных работать независимо и имеющих размеры менее одного миллиметра, невероятно сложно», — говорит Мискин. «По сути, эта область застряла на этом этапе уже 40 лет».

Силы, доминирующие в человеческом мире, такие как гравитация и инерция, зависят от объема. Однако, если уменьшиться до размера клетки, в дело вступают силы, связанные с площадью поверхности, такие как сопротивление воздуха и вязкость. «Если вы достаточно малы, то давление на воду будет подобно давлению на смолу», — говорит Мискин.

Другими словами, на микроуровне стратегии, направленные на перемещение более крупных роботов, например, конечностей, редко оказываются успешными. «Очень маленькие ноги и руки легко сломать», — говорит Мискин. «Их также очень сложно изготовить».

Поэтому команде пришлось разработать совершенно новую двигательную систему, которая работала бы в соответствии с уникальными физическими принципами передвижения в микроскопическом мире, а не против них.

Заставить роботов плавать

Крупные водные существа, такие как рыбы, передвигаются, отталкивая воду позади себя. Благодаря третьему закону Ньютона, вода оказывает на рыбу равную и противоположную по направлению силу, толкая её вперёд.

Новые роботы, напротив, вообще не напрягают свои тела. Вместо этого они генерируют электрическое поле, которое толкает ионы в окружающем растворе. Эти ионы, в свою очередь, воздействуют на находящиеся рядом молекулы воды, приводя в движение воду вокруг тела робота.

«Это как если бы робот находился в движущейся реке, — говорит Мискин, — но при этом робот и заставляет реку двигаться».

Роботы могут регулировать электрическое поле, вызывающее этот эффект, что позволяет им двигаться по сложным траекториям и даже перемещаться скоординированными группами, подобно косяку рыб, со скоростью до одной длины тела в секунду.

А поскольку электроды, генерирующие поле, не имеют движущихся частей, роботы чрезвычайно долговечны. «Эти роботы можно многократно переносить с одного образца на другой с помощью микропипетки, не повреждая их», — говорит Мискин. Заряженные светом светодиода, роботы могут плавать месяцами.

Наделить роботов мозгом

Чтобы быть по-настоящему автономным, роботу необходим компьютер для принятия решений, электроника для восприятия окружающей среды и управления движением, а также крошечные солнечные панели для питания всего этого, и всё это должно поместиться на чипе размером в доли миллиметра. Именно здесь в дело вступила команда Дэвида Блау из Мичиганского университета.

Лаборатория Блау держит рекорд как самый маленький в мире компьютер. Когда Мискин и Блау впервые встретились пять лет назад на презентации, организованной Агентством перспективных оборонных исследований (DARPA), они сразу поняли, что их технологии идеально подходят друг другу.

«Мы поняли, что двигательная установка Penn Engineering и наши крошечные электронные компьютеры идеально подходят друг другу», — говорит Блау. Тем не менее, потребовалось пять лет напряженной работы с обеих сторон, чтобы создать своего первого работающего робота.

«Главная проблема электроники, — говорит Блау, — заключается в том, что солнечные панели крошечные и производят всего 75 нановатт энергии. Это более чем в 100 000 раз меньше энергии, чем потребляют умные часы».

Чтобы обеспечить работу бортового компьютера робота при таком низком энергопотреблении, команда из Мичигана разработала специальные схемы, работающие при чрезвычайно низком напряжении и снижающие энергопотребление компьютера более чем в 1000 раз.

Тем не менее, солнечные панели занимают большую часть пространства на роботе. Поэтому второй задачей стало размещение процессора и памяти для хранения программы в оставшемся небольшом пространстве.

«Нам пришлось полностью переосмыслить инструкции компьютерной программы, — говорит Блау, — свести то, что обычно требовало бы множества инструкций для управления движением, к одной специальной инструкции, чтобы уменьшить длину программы и уместить ее в крошечном объеме памяти робота».

Роботы, которые чувствуют, запоминают и реагируют.

Благодаря этим инновациям стало возможным создание первого субмиллиметрового робота, способного мыслить. Насколько известно исследователям, ранее никто не помещал настоящий компьютер — процессор, память и датчики — в робота таких размеров. Этот прорыв делает эти устройства первыми микроскопическими роботами, способными самостоятельно воспринимать окружающий мир и действовать.

Роботы оснащены электронными датчиками, способными определять температуру с точностью до трети градуса Цельсия. Это позволяет роботам перемещаться в зоны с повышающейся температурой или сообщать о температуре — показателе клеточной активности — что позволяет им отслеживать состояние отдельных клеток.

«Для передачи данных об измеренной температуре мы разработали специальную компьютерную инструкцию, которая кодирует значение, например, измеренную температуру, в движениях небольшого танца, который исполняет робот», — говорит Блау. «Затем мы рассматриваем этот танец под микроскопом с камерой и расшифровываем по движениям то, что роботы нам говорят. Это очень похоже на то, как медоносные пчелы общаются друг с другом».

Роботы программируются с помощью световых импульсов, которые также обеспечивают их питание. Каждый робот имеет уникальный адрес, что позволяет исследователям загружать на него различные программы. «Это открывает множество возможностей, — добавляет Блау, — при этом каждый робот потенциально может выполнять различную роль в более масштабной совместной задаче».

Это только начало

В будущих версиях роботов можно будет хранить более сложные программы, двигаться быстрее, интегрировать новые датчики или работать в более сложных условиях. По сути, нынешняя конструкция представляет собой универсальную платформу: её двигательная установка бесперебойно работает с электроникой, её схемы можно недорого изготавливать в больших масштабах, а её конструкция позволяет добавлять новые возможности.

«Это всего лишь первая глава, — говорит Мискин. — Мы показали, что можно поместить мозг, датчик и двигатель в нечто настолько маленькое, что его почти невозможно увидеть, и оно будет выживать и работать в течение нескольких месяцев. Как только у вас появится такая основа, вы сможете добавлять всевозможные интеллектуальные функции и возможности. Это открывает двери в совершенно новое будущее микроробототехники».