Изследователи от университетите на Пенсилвания и Мичиган създадоха най-малките в света напълно програмируеми, автономни роботи: микроскопични плуващи машини, които могат самостоятелно да усещат и реагират на заобикалящата ги среда, да работят с месеци и да струват „жълти стотинки“.
Едва видим с невъоръжено око, всеки робот е с размери около 200 на 300 на 50 микрометра, по-малък от прашинка сол. Работейки в мащаба на много биологични микроорганизми, подобни микро-роботи биха могли да имат ценно приложение в медицината, като наблюдават здравето на отделните клетки, и в производството, като помагат за изграждането на микромащабни устройства.
Захранвани от светлина, роботите носят микроскопични компютри в себе си и могат да бъдат програмирани да се движат по сложни модели, да усещат локалните температури и съответно да коригират траекториите и. Те работят без свързаност, без магнитни полета или управление чрез джойстик отвън. Това ги прави първите наистина автономни, програмируеми роботи в този мащаб.
Преодоляване на бариерата „под милиметър“
В продължение на десетилетия електрониката ставаше все по-малка и по-малка, но роботите не смогваха да се смалят толкова.
„Изграждането на роботи, които работят независимо, с размери под един милиметър, е изключително трудно“, казва казва Марк Мискин, доцент по електротехника и системно инженерство в Penn Engineering и старши автор на статиите.„Заседнали сме на този проблем в продължение на 40 години.“
Силите, които доминират човешкия свят, като гравитацията и инерцията, зависят от обема. Ако обаче нещо се свие до размера на клетка, то силите, свързани с повърхността, като съпротивлението и вискозитета, вземат превес.
„Ако сте достатъчно малки, плуването във вода е като плуване през катран“, казва Мискин. С други думи, в микромащаб стратегиите, които движат по-големите роботи, не са особено приложими. „Много малки крака и ръце? Но те лесно се чупят“, казва Мискин. „А и са много трудни за изграждане.“
Така екипът се заел да проектира изцяло нова задвижваща система, която да работи в съответствие с – а не против – уникалната физика на движението в микроскопичния свят.
Да може да плува
Големите водни същества, като например рибите, се движат, като бутат водата зад себе си. Благодарение на третия закон на Нютон водата упражнява равна и противоположна сила върху рибата, тласкайки я напред.
Новите роботи, за разлика от тях, изобщо не огъват телата си. Вместо това те генерират електрическо поле, което избутва йоните в околния разтвор. Тези йони от своя страна избутват близките водни молекули, оживявайки водата около тялото на робота.
„Все едно роботът е в движеща се река“, казва Мискин, „но роботът също така кара реката да се движи.“
И тъй като електродите, които генерират полето, нямат движещи се части, роботите са изключително издръжливи. „Можете многократно да прехвърляте тези роботи от една проба в друга с помощта на микропипета, без да ги повредите“, казва Мискин. Заредени от светлината на светодиод, роботите могат да продължат да плуват в продължение на месеци.
И да имат акъл
За да бъде наистина автономен, подобен робот се нуждае от компютър, за да взема решения, и от електроника, за да усеща обкръжението си и да контролира задвижването си. А е хубаво и да има малки слънчеви панели, които да захранват всичко. И цялата машинария трябва да се побере на чип с размер от частица от милиметър. Тук се притекъл на помощ екипът на Дейвид Блаув от Мичиганския университет.
Лабораторията на Блаув държи рекорда за най-малкия компютър в света. Когато Мискин и Блаув се срещнали за първи път на презентация, организирана от Агенцията за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната (DARPA) преди пет години, двамата веднага осъзнали, че технологиите им си пасват перфектно.
„Видяхме, че задвижващата система на Penn Engineering и нашите малки електронни компютри са просто създадени един за друг“, казва Блау. Въпреки това били нужни пет години упорита работа и от двете страни, за да се създаде първият работещ робот.
„Ключовото предизвикателство пред електрониката“, казва Блау, „е, че слънчевите панели са малки и произвеждат само 75 нановата енергия. Това е над 100 000 пъти по-малко енергия от това, което консумира един смарт часовник“.
За да захранват компютъра на робота с толкова малко енергия, хората от Мичиган разработили специални схеми, които работят при изключително ниски напрежения и намаляват консумацията на енергия на компютъра над 1000 пъти.
Второто предизвикателство било да натъпчат процесор и памет в робота, за да се съхранява програма, в малкото останало пространство.
„Трябваше изцяло да преосмислим инструкциите на компютърната програма“, казва Блаув, „кондензирайки това, което конвенционално би изисквало много инструкции за управление на задвижването, в една единствена специална инструкция, за да се свие дължината на програмата, за да се побере в малкото пространство от паметта на робота“.
Да усещат, запомнят и реагират
Това, което прави възможни всичките тези иновации, е първият робот с размер под милиметър, който всъщност може да мисли. Доколкото е известно на изследователите, никой преди не е вграждал истински компютър – процесор, памет и сензори – в толкова малък робот. Този пробив прави въпросните устройства първите микроскопични роботи, които могат да усещат и действат самостоятелно.
Роботите имат електронни сензори, които могат да измерват температурата с точност до една трета от градуса. Това им позволява да се движат към области с повишаваща се температура или да докладват температурата – показател за клетъчната активност – което им позволява да наблюдават здравето на отделните клетки.
„За да докладваме температурните измервания, ние разработихме специална компютърна инструкция, която кодира стойност, като измерената температура, в движенията на малък танц, който роботът изпълнява“, казва Блаув.
„След това разглеждаме този танц през микроскоп с камера и декодираме от мърдането какво ни казват роботите. Много е подобно на начина, по който медоносните пчели общуват помежду си“, допълва той.
Роботите се програмират от светлинни импулси, които също ги захранват. Всеки робот има уникален адрес, който позволява на изследователите да зареждат различни програми на всеки робот. „Това отваря множество възможности“, добавя Блаув, „като всеки робот потенциално изпълнява различна роля в по-голяма, съвместна задача.“
Само началото
„Това е наистина само първата глава“, казва Мискин. „Показахме, че можете да поставите мозък, сензор и мотор в нещо, което е почти твърде малко, за да се види, и то да оцелее и да работи с месеци. След като имате тази основа, можете да добавяте всякакви видове интелигентност и функционалност. Това отваря вратата към изцяло ново бъдеще за роботиката в микромащаб“.
