В США представили самых маленьких в мире полностью программируемых автономных роботов. Разработку выполнили специалисты из Университет Пенсильвании и Мичиганский университет. Речь идет о микроскопических устройствах, способных самостоятельно перемещаться в жидкости, анализировать окружающую среду.
Размер каждого такого робота составляет примерно 200 × 300 × 50 микрометров — это меньше крупинки соли, отмечает xrust. По масштабу они сопоставимы с живыми микроорганизмами. В перспективе подобные технологии могут использоваться в медицине для мониторинга состояния отдельных клеток, а также в микроэлектронике — при создании и сборке сверхмалых устройств.
В отличие от предыдущих миниатюрных решений, новые микророботы не требуют проводов, внешних магнитных полей или постоянного дистанционного контроля. Они функционируют за счет энергии света — встроенные солнечные элементы питают микроскопический вычислительный модуль.
На борту размещён мини-компьютер, позволяющий выполнять заранее заданные алгоритмы: следовать маршруту, фиксировать локальные изменения температуры и корректировать направление движения. Фактически речь идет о первом субмиллиметровом роботе с полноценной архитектурой «процессор + память + датчики», способном действовать независимо.
Хотя электроника десятилетиями стабильно уменьшалась в размерах, робототехника долгое время не могла преодолеть барьер автономности при габаритах менее одного миллиметра. По оценкам исследователей, эта проблема оставалась нерешенной около 40 лет.
Причина кроется в физике микромира. В привычных масштабах движение определяется гравитацией и инерцией, зависящими от объема тела. Однако при микроскопических размерах доминируют поверхностные силы. Сопротивление среды и вязкость становятся определяющими факторами. Для микроскопического объекта движение в воде сопоставимо с перемещением человека в густой смоле.
Поэтому традиционные механические схемы — миниатюрные лапки, рычаги или шарниры — оказываются непрактичными: они ломаются, плохо масштабируются и крайне сложны в производстве.
Инженеры предложили альтернативный способ перемещения, соответствующий законам микрофизики. Вместо механических изгибов роботы создают электрическое поле, которое воздействует на заряженные частицы в жидкости.
Ионы начинают двигаться и увлекают за собой молекулы воды, формируя поток вокруг корпуса устройства. Изменяя параметры поля, робот может поворачивать, двигаться по сложной траектории и даже координировать действия в группе. Максимальная скорость достигает примерно одной длины собственного тела в секунду.
Отсутствие движущихся деталей повышает надежность конструкции. Устройства можно переносить между образцами с помощью микропипетки без риска повреждений. При освещении светодиодом микророботы сохраняют работоспособность в течение нескольких месяцев.
Для обеспечения автономности требовалось интегрировать вычислительный модуль, датчики и систему питания на площади в доли миллиметра. В разработке участвовала команда под руководством Дэвида Блау из Мичиганского университета, ранее установившая рекорд по созданию одного из самых маленьких компьютеров.
Ключевой проблемой стало энергопотребление. Миниатюрные солнечные панели генерируют около 75 нановатт — это в десятки тысяч раз меньше, чем требуется смарт-часам. Инженеры разработали сверхэкономичные схемы, способные функционировать при крайне низком напряжении. В результате энергопотребление удалось сократить более чем в тысячу раз.
Дополнительным ограничением стало пространство: солнечные элементы занимают значительную часть поверхности. Чтобы освободить место под вычислительный модуль, исследователи оптимизировали программную архитектуру и минимизировали аппаратные компоненты.
Роботы оснащены температурными датчиками, способными фиксировать изменения до одной трети градуса Цельсия. Это позволяет им перемещаться в более теплые области среды или передавать данные о возможной клеточной активности.
Передача информации реализована необычным способом. Специальная инструкция кодирует измеренное значение в последовательность движений — своеобразный «танец». Наблюдая его под микроскопом с камерой, исследователи расшифровывают данные. Принцип напоминает способ коммуникации пчел.
Тот же свет, который используется для питания, служит и каналом программирования. Каждый робот имеет уникальный адрес, благодаря чему можно загружать разные алгоритмы для отдельных экземпляров. Это открывает возможности для распределённых задач и коллективного поведения.
Созданная система рассматривается как технологическая платформа. В дальнейшем микророботы могут получить более сложные алгоритмы, дополнительные сенсоры, повышенную скорость и устойчивость к агрессивным средам.
Для отрасли программирования и микроэлектроники в РФ такие исследования представляют практический интерес: они демонстрируют, как сочетаются сверхнизкое энергопотребление, оптимизированный код и аппаратная миниатюризация. Разработка подтверждает, что будущее робототехники во многом связано с программной архитектурой и эффективными алгоритмами, а не только с механикой.
Xrust: Роботы размером меньше крупинки соли, умеющие думать