Представьте робота, который способен самостоятельно обзаводиться новыми органами чувств. Причем не в переносном смысле: машина буквально выращивает внутри собственного корпуса функциональные сенсоры, используя химические реакции и специальную жидкость, напоминающую кровь насекомых.
Именно такую технологию продемонстрировала международная группа ученых из Эстонского университета Тарту и Итальянского технологического института. Исследователи создали робота в форме мотылька, который под воздействием ультрафиолетового излучения способен формировать собственный светочувствительный датчик. Работа открывает интересное направление в робототехнике: вместо того чтобы заранее оснащать машины всеми необходимыми компонентами, можно научить их создавать новые функциональные элементы непосредственно в процессе эксплуатации.
Искусственная кровеносная система для роботов
Большинство современных роботов получают практически всю необходимую аппаратную начинку еще на этапе производства. Инженеры заранее определяют, какие датчики понадобятся машине, где их разместить и какие задачи она должна выполнять.
Однако такой подход имеет очевидное ограничение. Что делать, если робот оказался в незнакомой среде и столкнулся с явлением, которое его существующие сенсоры не способны обнаружить? Программное обеспечение можно обновить, но оно не заменит физический датчик, которого просто нет.
Исследователи предложили решить эту проблему, позаимствовав идею у живых организмов — систему циркуляции жидкостей.
В организме насекомых эту функцию выполняет гемолимфа — аналог крови, который переносит различные вещества по телу. Ученые решили использовать похожий принцип в конструкции робота: специальная жидкость доставляет химические компоненты к разным участкам его корпуса, где они могут превращаться в новые функциональные материалы.
Для эксперимента исследователи выбрали форму голубого мотылька (Catocala fraxini). Его относительно плоские крылья оказались удобной моделью для создания искусственной системы циркуляции.
Корпус робота напечатали на 3D-принтере из прозрачного пластика PETG — полиэтилентерефталата с добавлением гликоля. Площадь каждого крыла составила 86 квадратных сантиметров. Внутри конструкции разместили каналы шириной около миллиметра, напоминающие прожилки настоящих крыльев.
Дополнительная сеть микроскопических каналов позволяла жидкости проникать непосредственно в материал корпуса примерно на глубину 10 микрометров. Небольшой насос обеспечивал циркуляцию приблизительно трех миллилитров искусственной гемолимфы, распределяя химические компоненты по всему роботу.
Как работает датчик, выращенный под ультрафиолетом?
Главная особенность разработки заключается в том, что робот способен создавать светочувствительные элементы прямо на поверхности собственного корпуса.
Для этого исследователи подготовили искусственную гемолимфу, содержащую пиррол — химическое соединение, которое можно превратить в электропроводящий материал под воздействием света. В состав жидкости также добавили специальный компонент на основе целлюлозы — пропионат ацетата целлюлозы (CAP).
Смесь циркулировала по внутренним микроканалам и пропитывала окружающий пластик.
Затем ученые направили ультрафиолетовое излучение на выбранный участок крыла. Примерно через минуту под действием УФ-света запускалась химическая реакция: пиррол превращался в полипиррол — электропроводящий полимер.
В результате прозрачный пластик постепенно чернел в тех местах, где происходила реакция. Именно там формировался новый функциональный материал, способный реагировать на ультрафиолетовое излучение.
Исследователи могли заранее задавать форму и расположение будущего сенсора с помощью специального трафарета. Точность позиционирования достигала 0,3 миллиметра.
Но самое интересное заключалось не в изменении цвета пластика, а в появлении у него новых электрических свойств.
Когда ультрафиолет попадал на сформированный участок, его электрический импеданс — комплексное сопротивление переменному току — снижался. Встроенный микроконтроллер регистрировал это изменение и определял, что сенсор подвергся воздействию излучения.
После обнаружения сигнала робот мог выполнить определенное действие: например, взмахнуть крыльями с помощью проволоки с эффектом памяти формы или включить светодиод.
Таким образом, машина получала новую сенсорную функцию, которой у нее не было в момент изготовления.
Неожиданное свойство: датчик запоминает предыдущие воздействия
Во время экспериментов ученые обнаружили еще одну любопытную особенность нового материала. Оказалось, что при повторном воздействии ультрафиолета чувствительность сенсора постепенно возрастала.
Причина заключалась в том, что оставшийся в материале пиррол продолжал полимеризоваться, образуя дополнительные структуры полипиррола. Это постепенно изменяло электрические характеристики датчика.
Исследователи рассматривают такое поведение как своеобразную материальную память. Иными словами, физическая структура сенсора сохраняет следы предыдущих воздействий окружающей среды.
Еще один обнадеживающий результат: даже после более чем четырех месяцев хранения созданные датчики сохраняли работоспособность.
Подобная особенность может оказаться полезной при разработке адаптивных роботов, способных не просто воспринимать окружающий мир, но и постепенно менять собственные физические свойства под влиянием полученного опыта.
Где пригодятся роботы, способные создавать собственные компоненты?
Пока разработка остается экспериментальной демонстрацией концепции. Робот не умеет самостоятельно определять, какой именно сенсор ему необходим, и не может по собственной инициативе запускать процесс его производства.
Химическая реакция заранее определена исследователями, а формирование датчика остается необратимым. Кроме того, ученые сами контролировали подачу искусственной гемолимфы и использовали трафарет для выбора места, где должен появиться новый чувствительный элемент.
Тем не менее потенциальные области применения технологии довольно широки.
Роботы, способные создавать новые функциональные материалы, могли бы оказаться особенно полезными в условиях, где обслуживание и замена оборудования затруднены или невозможны. Например, при исследовании труднодоступных участков леса, подводных пространств, завалов разрушенных зданий или других незнакомых сред.
Причем искусственная кровеносная система потенциально способна доставлять не только компоненты для создания сенсоров. С ее помощью можно будет формировать и другие полезные материалы:
- Защитные покрытия от коррозии, позволяющие адаптировать корпус к агрессивной окружающей среде.
- Материалы для электромагнитного экранирования, защищающие чувствительную электронику от внешних помех.
- Интерфейсы для взаимодействия с живыми тканями, которые могут пригодиться в медицинской робототехнике.
Ученые также планируют исследовать химические системы, позволяющие создавать обратимые изменения материалов. Это означало бы, что робот сможет не только приобретать новые свойства, но и избавляться от них, когда необходимость в них исчезнет.
Следующий шаг — роботы, самостоятельно определяющие свои потребности
По мнению ведущего исследователя проекта Кадри-Энн Панкратов (Kadri-Ann Pankratov), аспирантки Эстонского университета Тарту, в перспективе искусственные системы циркуляции могут стать полноценным инструментом робототехники уже в течение следующего десятилетия.
Однако для этого предстоит решить принципиальную задачу: научить машины самостоятельно определять, какие новые компоненты им нужны, и выбирать способы их создания.
Пока центральная система управления заранее знает, какой материал и в каком месте должен появиться. Следующий этап исследований — отказаться от столь жесткого программирования и предоставить роботам больше самостоятельности.
Это гораздо сложнее, чем просто научить машину выращивать светочувствительный элемент. Фактически речь идет о переходе от роботов с заранее заданной конструкцией к системам, способным физически перестраивать себя в ответ на изменения окружающей среды.
Исследование опубликовано в научном журнале Advanced Science. И хотя до появления полностью самовоспроизводящихся или самостоятельно совершенствующихся машин еще далеко, эксперимент с роботом-мотыльком показывает, что будущее робототехники может быть связано не только с развитием искусственного интеллекта, но и с созданием принципиально новых материалов непосредственно внутри самих машин.
