Исследователи представили самых маленьких в мире полностью программируемых автономных роботов

Исследователи из Университета Пенсильвании и Мичиганского университета создали ^[1] самых маленьких в мире полностью программируемых автономных роботов. Они выглядят как микроскопические плавающие системы, способные самостоятельно воспринимать окружающую среду и реагировать ^[2] на неё, а также работать в течение нескольких месяцев. 

Каждый робот имеет размеры примерно 200х300х50 микрометров, что меньше крупинки соли. Система работает, используя энергию света. Сами роботы несут микроскопические компьютеры и могут быть запрограммированы на движение по сложным траекториям, измерение локальной температуры и корректировку движения.

Роботы работают без маячков, магнитных полей или иного внешнего управления, что делает их первыми по-настоящему автономными программируемыми системами такого масштаба.

«Мы уменьшили автономных роботов в 10 000 раз. Это открывает совершенно новый масштаб для их использования», — говорит Марк Мискин, доцент кафедры электротехники и системотехники инженерного факультета Пенсильванского университета.

По его словам, создание таких систем было невероятно сложным, а область микророботов «буксовала» более 40 лет. Основным препятствием выступали гравитация и инерция, которые зависят от объёма и становятся ничтожно малыми, если говорить о микророботах. Таким образом, эти системы оказывались маломощными.

Команде пришлось разработать совершенно новую двигательную систему, которая работала бы в соответствии с уникальными физическими принципами передвижения в микроскопическом мире. Учёные взяли за основу более крупных водных обитателей, таких как рыбы, которые движутся, толкая воду за собой. Благодаря третьему закону Ньютона вода оказывает на рыбу равную и противоположную силу, продвигая её вперёд. Роботы же генерируют электрическое поле, которое толкает ионы в окружающем растворе. Эти ионы, в свою очередь, толкают находящиеся рядом молекулы воды, приводя в движение воду вокруг тела робота. «Это как если бы робот находился в движущейся реке, но и заставляя её двигаться», — говорит Мискин.

Системы способны регулировать свои электрические поля, что позволяет им двигаться по сложным траекториям и даже перемещаться скоординированными группами, подобно косяку рыб, со скоростью до одной длины тела в секунду.

Поскольку электроды, генерирующие поле, не имеют движущихся частей, роботы чрезвычайно долговечны. «Они могут многократно переноситься из одного образца в другой с помощью микропипетки, не испытывая повреждений», — говорит Мискин. Заряженные свечением светодиода, роботы могут плавать месяцами.

Команда Дэвида Блаува из Мичиганского университета создала самый маленький в мире компьютер. «Главная проблема с электроникой 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», — говорит он. Чтобы обеспечить работу компьютера робота при такой низкой мощности, команда разработала специальные схемы, действующие при чрезвычайно низком напряжении и снижающие энергопотребление компьютера более чем в 1000 раз. Тем не менее, солнечные панели занимают большую часть пространства на роботе, и второй проблемой стало размещение процессора и памяти ^[3] для хранения программы в оставшемся небольшом участке. «Нам пришлось полностью переосмыслить инструкции компьютерной программы — свести то, что обычно требовало бы множества инструкций для управления двигателем, к одной специальной инструкции», — поясняет Блаув.

Роботы оснащены электронными датчиками, которые могут определять температуру с точностью до трети градуса Цельсия. Это позволяет им двигаться к областям с повышающейся температурой или сообщать о температуре — показателе клеточной активности — отслеживая состояние отдельных клеток.

«Мы разработали специальную компьютерную инструкцию, которая кодирует значение, например, измеренную температуру, в движениях небольшого танца, который исполняет робот. Затем мы рассматриваем этот танец через микроскоп с камерой и расшифровываем по движениям, что роботы нам говорят. Это очень похоже на то, как медоносные пчёлы ^[4] общаются друг с другом», — говорит Блаув. 

Роботы программируются с помощью световых импульсов, которые также питают их. Каждый робот имеет уникальный адрес, позволяющий исследователям загружать различные программы. 

Исследователи отмечают, что будущие версии роботов смогут хранить более сложные программы, двигаться быстрее, включать новые датчики или работать в более сложных условиях. По сути, нынешняя конструкция представляет собой универсальную платформу: её двигательная система бесперебойно работает с электроникой, а схемы можно дёшево изготовить в больших масштабах.

«Это всего лишь первая глава. Мы показали, что можно поместить мозг ^[5], датчик и двигатель в нечто, почти невидимое, и чтобы оно выживало и работало в течение нескольких месяцев. Как только у вас есть этот фундамент, вы можете добавлять всевозможные интеллектуальные функции и возможности. Это открывает двери в совершенно новое будущее для микромасштабной робототехники», — заключает Мискин. 

Между тем исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали ^[6] воздушных микророботов, способных летать со скоростью и маневренностью, сравнимыми с их биологическими аналогами. Команда разработала новый контроллер на основе искусственного интеллекта ^[7] для роботизированного насекомого, который позволил ему следовать гимнастическим траекториям полёта, например, выполнять непрерывные сальто.