Сверхмалые автономные роботы и система управления на Raspberry Pi

Ученые из университетов Пенсильвании и Мичигана создали самых маленьких в мире автономных и программируемых роботов. Размер около 200 микрометров — примерно вдвое больше ширины человеческого волоса.  Каждый робот способен воспринимать окружающую среду, «думать» и действовать независимо, без внешних указаний. Цель технологии – отслеживать состояние отдельных клеток в нашем организме, адресно доставлять лекарства или значительно улучшить разработку микроэлектроники.

Автономные роботы для наших тел

Главный прорыв – размер робота в одну пятую миллиметра ^[1], способного автономно передвигаться без внешней помощи. Это задача, которую ученые пытались решить десятилетиями. Физические силы, такие как сопротивление и вязкость, оказывают невероятно сильное воздействие на объекты в микроскопическом масштабе. На этом уровне жидкости нашего тела сопоставимые по вязкости со смолой.

Для решения сложностей с вязкостью, ученые разработали новую двигательную систему. Микророботы питаются от светодиодов и работают в растворе перекиси водорода, который служит топливом для их движения. Робот генерирует электрическое поле, которое приводит в движение ионы в окружающем растворе, которые, в свою очередь, увлекают за собой молекулы воды. Микророботы могут регулировать это электрическое поле для движения по сложным траекториям и даже перемещаться скоординированными группами со скоростью в одну длину их тела в секунду.

Для создания самого маленького в мире автономного робота необходим самый маленький в мире компьютер. Двигательная система роботов была разработана в Пенсильванском университете. А за мозг ^[2] отвечала команда Дэвида Блау из Мичиганского университета. Исследователи адаптировали свой микрокомпьютер к двигательной системе Пенсильванского университета и создали полноценный компьютер с процессором, памятью ^[3] и датчиками на чипе размером менее миллиметра.

Управление роем роботов

Робот получает свет через микроскопические солнечные панели, которые генерируют всего 75 нановатт энергии, что в 100 000 раз меньше, чем потребляют умные часы. Команде ученых пришлось заставить микрокомпьютерные схемы работать при чрезвычайно низком напряжении, снизив энергопотребление более чем в 1000 раз.

Малое напряжение тянет за собой и малую стоимость. Себестоимость одного робота в масштабах производства обходится примерно в один цент. Но можно предположить, что оборудование, необходимое для их программирования и управления, будет непомерно дорогим. Но это не так.

Команда уже создала недорогую версию своей установки, используя стандартные светодиоды, микрокомпьютер Raspberry Pi и систему визуализации, состоящую из камеры смартфона с макрообъективом. Система работает примерно так же хорошо, как дорогой микроскоп за 100 000 долларов. Ведь поскольку робот выполняет всю тяжелую работу, он не нуждается в указаниях свыше.

Главные препятствия

Микророботы оснащены электронными датчиками, способными определять температуру с точностью до одной трети градуса Цельсия, что позволяет им контролировать состояние отдельных клеток. Однако, прежде чем эту технологию можно будет применить в здравоохранении, остается ряд нюансов.

Подобно клеткам нашего организма, которым для выживания необходим постоянный приток энергии, микророботы не могут функционировать без непрерывного освещения. Без света робот выключится и его память очистится. Если снова включить свет, он перезагрузится, но не запомнит, что программу. Это распространенная особенность субмиллиметровых систем, поскольку общее количество энергии, которое можно накопить в той же батарее, зависит от ее объема. И крайне сложно хранить какое-либо полезное количество энергии в небольшом пространстве.

Проблема среды. В нынешней версии роботы работают в 5-миллимолярном растворе перекиси водорода, токсичном для живых клеток. Это делает роботов непригодными для медицинского применения в их нынешнем виде. Исследователи признают это ограничение, но оно не является непреодолимым. Поскольку робот работает на интегрированной электронной системе, приводы можно свободно заменять, нужно лишь подобрать рабочее напряжение и требуемый ток.

От медицины к робототехнике

Таких роботов можно использовать и ради сборки микрокомпонентов. Почти все, что сейчас производится в микромасштабе, создается за один раз, с помощью литографии. И если нужно изменить одну часть этой схемы, придется перестраивать всю технологию с нуля. Подобные роботы дают возможность точечно вносить коррективы, расширяя возможности. Хоть даже в процессе выращивания биогибридных протезов ^[4].

Исследователи утверждают, что это может снизить затраты, ускорить итерации проектирования и даже упростить защиту интеллектуальной собственности.

Направления технологий множатся быстрее, чем наше внимание ^[5] способно переключаться и удерживать в фокусе основные факторы. Возможно, мы уже проходим ту грань, за которой виднеется технологическая сингулярность. С её возможностями и рисками.

Больше материалов, связанных с гранью науки, научной фантастики и возможностей человека – вы найдете в сообществе Neural Hack ^[6]. Заглядывайте, чтобы держать под рукой актуальные материалы!