Роботы добрались туда, где раньше царили только бактерии и одноклеточные организмы. Исследователи из Университета Пенсильвании представили то, что они называют самыми маленькими в мире полностью программируемыми автономными роботами. По размерам эти машины сопоставимы с микроорганизмами, но по возможностям — с полноценными роботами: у них есть «мозг», сенсоры и собственный способ передвижения. Как это вообще возможно и зачем такие крошки нужны науке и медицине?
Роботы в масштабе микробов
Каждый из новых микророботов едва различим невооружённым глазом. Его габариты — около 0,2 × 0,3 × 0,05 миллиметра. Это тот самый масштаб, на котором живут бактерии и простейшие.
И всё же, несмотря на микроскопические размеры, роботы способны на удивительно сложное поведение. Они плавают в жидкости, реагируют на изменения температуры, принимают решения и даже могут двигаться согласованно, группами — почти как стая рыб.
По словам Марка Мискина, одного из руководителей проекта, автономные роботы стали примерно в 10 тысяч раз меньше своих предшественников. Это не просто рекорд, а переход на принципиально новый уровень: впервые программируемая робототехника вышла на «микробный» масштаб.
Электроника давно научилась уменьшаться, но с роботами всё оказалось куда сложнее. Главная проблема — движение. На микроскопическом уровне вода ведёт себя совсем не так, как в нашем привычном мире. Плавание здесь больше напоминает попытку протолкнуться через густой сироп.
Обычные пропеллеры, колёса или суставы в таких условиях не работают. Поэтому инженеры пошли другим путём.
Движение без движущихся частей
Вместо механических деталей микророботы используют электрические поля. Они создают поле, которое мягко «подталкивает» ионы в жидкости. Эти ионы, в свою очередь, передают импульс молекулам воды — так и возникает тяга, перемещающая робота вперёд.
У такого подхода есть сразу несколько преимуществ. Во-первых, в конструкции нет движущихся частей, а значит, почти нечему ломаться. Во-вторых, роботы могут работать в жидкости месяцами. В-третьих, их легко перемещать и исследовать — например, с помощью микропипетки.
Кроме того, роботы умеют двигаться синхронно, образуя согласованные группы. Для микромира это серьёзное достижение.
«Мозг», работающий на свете
Интеллект этих крошечных машин — заслуга инженеров из Университета Мичигана. Именно там разработали сверхминиатюрные компьютеры, потребляющие всего около 75 нановатт энергии. Для сравнения: это примерно в 100 тысяч раз меньше, чем нужно обычным умным часам.
Чтобы уложиться в такие жёсткие энергетические рамки, учёным пришлось полностью пересмотреть подход к программированию. Команды, которые в обычных системах требуют множества инструкций, здесь сведены к одной специализированной операции.
Почти вся поверхность робота покрыта миниатюрными солнечными элементами. Они не только питают электронику, но и служат оптическими приёмниками. С помощью световых импульсов роботов можно программировать, причём каждый из них имеет собственный идентификатор и может получать индивидуальные команды.
В нынешней версии микророботы оснащены температурными сенсорами, способными различать изменения менее чем на треть градуса Цельсия. Они могут, например, двигаться в сторону более тёплых участков.
А чтобы «сообщить» о зафиксированных изменениях, роботы используют характерные колебательные движения. Исследователи сравнивают это поведение с «танцем виляния», с помощью которого пчёлы передают информацию сородичам.
Почему это важно?
Один из самых впечатляющих аспектов разработки — её практичность. Себестоимость одного микроробота составляет примерно один цент. Он работает от света, почти не изнашивается и способен автономно функционировать месяцами.
По сути, учёные показали, что в объект почти невидимого размера можно встроить двигатель, сенсор и вычислительный блок — и всё это будет стабильно работать. Это лишь первый шаг, но уже сейчас понятно, куда он может привести.
В будущем такие микророботы могут получить дополнительные датчики, более сложные программы и научиться работать в жёстких условиях. Потенциальные области применения — медицина (например, диагностика или доставка лекарств), микромасштабное производство и исследования сложных жидких сред.
Как отмечают авторы работы, опубликованной в журнале Science Robotics, перед нами только начало новой главы в истории робототехники — главы, написанной в микроскопическом масштабе.
