Исследователи создают самых маленьких в мире программируемых автономных роботов

Исследователи из Пенсильванского и Мичиганского университетов создали самых маленьких в мире полностью программируемых автономных роботов: микроскопические плавательные машины, которые могут независимо воспринимать и реагировать на окружающую среду, работают месяцами и стоят всего лишь пенни каждый.

Едва видимый невооруженным глазом каждый робот имеет размеры примерно 200 на 300 на 50 микрометров, то есть меньше, чем крупинка соли. Действуя в масштабе многих биологических микроорганизмов, роботы могли бы продвинуть медицину. мониторинг здоровья отдельных клеток и производства, помогая создавать микромасштабные устройства.

Роботы, работающие на свету, оснащены микроскопическими компьютерами и могут быть запрограммированы на движение по сложным схемам, определение местной температуры и соответствующую корректировку своих траекторий.

Описано в Научная робототехника и Труды Национальной академии наукРоботы работают без привязей, магнитных полей или джойстикового управления извне, что делает их первыми по-настоящему автономными программируемыми роботами такого масштаба.

«Мы сделали автономных роботов в 10 000 раз меньше», — говорит Марк Мискин, доцент кафедры электротехники и системной инженерии Penn Engineering и старший автор статей. «Это открывает совершенно новый масштаб для программируемых роботов».

Преодолев субмиллиметровый барьер

На протяжении десятилетий электроника становилась все меньше и меньше, но роботы с трудом успевали за ней. «Создать роботов, которые работают независимо, размером менее одного миллиметра, невероятно сложно», — говорит Мискин. «По сути, эта область застряла в решении этой проблемы уже 40 лет».

Силы, которые доминируют в человеческом мире, такие как гравитация и инерция, зависят от объема. Однако если уменьшиться до размера клетки, то силы, связанные с площадью поверхности, такие как сопротивление и вязкость, возьмут верх. «Если вы достаточно малы, толкать воду — все равно, что проталкиваться сквозь смолу», — говорит Мискин.

Другими словами, на микроуровне стратегии, позволяющие перемещать более крупных роботов, например конечности, редко бывают успешными. «Очень крошечные ножки и ручки легко сломать», — говорит Мискин. «Их также очень сложно построить».

Поэтому команде пришлось разработать совершенно новую двигательную систему, которая работала бы в соответствии с уникальной физикой передвижения в микроскопическом мире, а не против нее.

Заставляем роботов плавать

Крупные водные существа, такие как рыбы, передвигаются, толкая за собой воду. Согласно третьему закону Ньютона, вода оказывает на рыбу равную и противоположную силу, толкая ее вперед.

Новые роботы, напротив, вообще не сгибают свои тела. Скорее, они генерируют электрическое поле, которое подталкивает ионы в окружающем растворе. Эти ионы, в свою очередь, воздействуют на близлежащие молекулы воды, оживляя воду вокруг тела робота.

«Это как если бы робот находился в движущейся реке, — говорит Мискин, — но робот также заставляет реку двигаться».

Роботы могут регулировать электрическое поле, вызывающее эффект, позволяя им двигаться по сложным схемам и даже перемещаться скоординированными группами, подобно косяку рыб, со скоростью до одной длины тела в секунду.

А поскольку электроды, генерирующие поле, не имеют движущихся частей, роботы чрезвычайно долговечны. «Вы можете неоднократно переносить этих роботов из одного образца в другой с помощью микропипетки, не повреждая их», — говорит Мискин. Заряжаемые светом светодиода, роботы могут плавать месяцами подряд.

Даем роботам мозги

Чтобы быть по-настоящему автономным, роботу нужен компьютер для принятия решений, электроника для восприятия окружающей среды и управления движением, а также крошечные солнечные панели для питания всего, и все это должно помещаться на чипе размером в доли миллиметра. Именно здесь в дело вступила команда Дэвида Блаау из Мичиганского университета.

Лаборатория Блаау является рекордсменом по созданию самого маленького компьютера в мире. Когда Мискин и Блаау впервые встретились на презентации, организованной Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) пять лет назад, пара сразу поняла, что их технологии идеально подходят друг другу.

«Мы увидели, что двигательная система Penn Engineering и наши крошечные электронные компьютеры просто созданы друг для друга», — говорит Блаау. Тем не менее, обеим сторонам потребовалось пять лет упорной работы, чтобы создать своего первого работающего робота.

«Главная проблема для электроники, — говорит Блаау, — 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».

Чтобы компьютер робота работал при таком малом энергопотреблении, команда из Мичигана разработала специальные схемы, которые работают при чрезвычайно низком напряжении и снижают энергопотребление компьютера более чем в 1000 раз.

Тем не менее, солнечные панели занимают большую часть пространства робота. Поэтому второй задачей было втиснуть процессор и память для хранения программы в оставшееся небольшое пространство.

«Нам пришлось полностью переосмыслить инструкции компьютерной программы», — говорит Блаау, — «собрав то, что традиционно требовало бы множества инструкций для управления движением, в одну специальную инструкцию, позволяющую сократить длину программы, чтобы она поместилась в крошечном пространстве памяти робота».

Роботы, которые чувствуют, запоминают и реагируют

Эти инновации сделали возможным создание первого субмиллиметрового робота, который действительно может думать. Насколько известно исследователям, никто ранее не помещал настоящий компьютер — процессор, память и датчики — в такого маленького робота. Этот прорыв делает эти устройства первыми микроскопическими роботами, которые могут чувствовать и действовать самостоятельно.

Роботы оснащены электронными датчиками, которые могут определять температуру с точностью до трети градуса Цельсия. Это позволяет роботам перемещаться к областям с повышенной температурой или сообщать о температуре (показатель клеточной активности), что позволяет им контролировать здоровье отдельных клеток.

«Чтобы сообщать об измерениях температуры, мы разработали специальную компьютерную инструкцию, которая кодирует значение, например, измеренную температуру, в небольшом танце, который исполняет робот», — говорит Блаау. «Затем мы смотрим на этот танец через микроскоп с камерой и по покачиваниям расшифровываем то, что говорят нам роботы. Это очень похоже на то, как медоносные пчелы общаются друг с другом».

Роботы программируются импульсами света, которые также питают их. Каждый робот имеет уникальный адрес, который позволяет исследователям загружать на каждого робота разные программы. «Это открывает массу возможностей», — добавляет Блаау, — «каждый робот потенциально может выполнять свою роль в более крупной совместной задаче».

Только начало

Будущие версии роботов смогут хранить более сложные программы, двигаться быстрее, интегрировать новые датчики или работать в более сложных условиях. По сути, нынешняя конструкция представляет собой общую платформу: ее двигательная установка работает без проблем с электроникой, ее схемы могут быть изготовлены дешево в больших масштабах, а ее конструкция позволяет добавлять новые возможности.

«На самом деле это только первая глава», — говорит Мискин. «Мы показали, что можно поместить мозг, датчик и двигатель во что-то, слишком маленькое, чтобы его можно было увидеть, и заставить его жить и работать месяцами. Как только у вас появится эта основа, вы сможете накладывать все виды интеллекта и функциональности. Это открывает дверь в совершенно новое будущее для робототехники на микромасштабе».