Микророботы преодолевают навигационные ограничения с помощью «искусственного пространства-времени»

Микророботы — крошечные роботы размером менее миллиметра — полезны в различных приложениях, требующих выполнения задач в масштабах, слишком малых для других инструментов, таких как адресная доставка лекарств или микропроизводство. Однако исследователи и инженеры, разрабатывающие этих роботов, столкнулись с некоторыми ограничениями, когда дело касается навигации. Новое исследование, опубликовано в Природаподробно описывает новое решение этих ограничений — и результаты многообещающие.

Слишком маленький, чтобы быть «умным»

Самая большая проблема при работе с микророботами — нехватка места. Их крошечный размер ограничивает использование компонентов, необходимых для бортовых вычислений, датчиков и приведения в действие, что затрудняет реализацию традиционных методов управления. В результате микророботы не могут быть такими же «умными», как их более крупные собратья.

Исследователи уже пытались преодолеть это ограничение. В частности, были изучены два метода. Один из методов микроробот управление использует внешнюю обратную связь от вспомогательной системы, обычно с помощью чего-то вроде оптического пинцета или электромагнитные поля. Это позволило обеспечить точное и адаптируемое управление небольшим количеством микророботов, что полезно для сложных, многоэтапных задач или задач, требующих высокой точности, но масштабирование метода для управления большим количеством независимых микророботов оказалось менее успешным.

С другой стороны, метод, называемый «реактивным управлением», показал себя многообещающим в управлении большим количеством микророботов. Авторы исследования объясняют: «Вместо того, чтобы полагаться на постоянную внешнюю обратную связь, они используют роботизированное управление. сенсорные входы чтобы немедленно модулировать действия робота в ответ на глобальное управляющее поле. Этот подход является минималистичным и хорошо подходит для микророботов, которым часто не хватает сложных датчиков или вычислений из-за их небольшого размера.

«Общими примерами являются чувствительные к стимулам микромоторы, которые создают такси, искусственные потенциальные поля, которые координируют движение посредством сил притяжения и отталкивания, а также стаи микророботов, поведение которых возникает в результате коллективных взаимодействий».

Однако методы реактивного контроля до сих пор ограничивались простым поведением. Исследователи столкнулись с трудностями, связанными с поведением, например, с навигацией в структурированной среде или с тем, чтобы роботы самостоятельно сходились в желаемом месте, направляя их по разным траекториям.

Решение, вдохновленное общей теорией относительности

Удивительно, но исследователи обнаружили, что движение роботов формально идентично пути, по которому движется свет. общая теория относительностичто позволило им разработать математическая основа отображение движения робота на геодезических в искривленном пространстве-времени, определяемом полем управления, как и в других методах реактивного управления. Команда использовала конформные преобразования, чтобы сопоставить сложные среды с простыми виртуальными пространствами, затем разработала управляющие поля и сопоставила их обратно. Получившуюся геометрическую структуру они называют «искусственным пространством-временем».

Используя искусственное пространство-время, команда обнаружила, что роботы могут выполнять более сложные задачи. Они объясняют: «Во-первых, мы представляем метрики, которые генерируют примитивное поведение в беспрепятственной среде. К ним относятся навигация к определенным местам, ограничение, расхождение или поворот заданными способами. Затем мы распространили эти результаты на пространства с границами, используя инвариантность геодезического движения при конформных преобразованиях».

Их метод успешно позволил им предотвратить столкновения роботов со стенами и дать инструкции по навигации, патрулированию, повороту или рассредоточению без необходимости вычислений на роботе. Они проверили свой подход как с помощью моделирования, так и экспериментов с использованием кремниевых микророботов и проецируемых световых полей. Экспериментальные роботы имели два двигателя, каждый из которых состоял из массивов кремниевых фотоэлектрических элементов, и двигались со скоростью, пропорциональной интенсивности падающего света.

Микророботы будущего

В конечном счете, эта новая структура предлагает новый, масштабируемый способ управления большим количеством простых роботов, открывая возможности в области медицины, восстановления окружающей среды и микропроизводства. Авторы исследования уже видят способы улучшить текущую модель, которая в настоящее время ограничена 2D и конкретными типами роботов. Они говорят, что «есть несколько многообещающих путей к обобщению», например, изменение показателей во времени.

«Работа по этому маршруту может быть нацелена на предотвращение столкновений между роботами или последовательное исследование космоса, заставляя отдельных роботов ускоряться или замедляться по прибытии в определенные места пространства-времени или скрываться друг от друга, когда они находятся рядом», — говорят они.

Другие возможности включают в себя расширение аппаратного обеспечения роботов или даже предоставление роботам возможности генерировать свои собственные управляющие поля, что позволяет реализовать возникающее поведение роя.

© 2025 Сеть Science X