Учёные встроили компьютер в робота размером с зерно соли

Вкратце

• Исследователи создали автономных роботов размером с крупинку соли, которые плавают, чувствуют температуру и работают независимо в течение месяцев.
• Роботы используют электрические поля вместо движущихся частей.
• Это первые субмиллиметровые роботы с интегрированными компьютерами, стоимость изготовления каждого — всего копейка.

Исследователи просто уменьшили автономных роботов до размера пылинки. И роботы могут думать — так сказать. Команда из Университета Пенсильвании и Университета Мичигана создала микроскопические машины — 200 на 300 на 50 микрометров, размером с крупинку соли, — которые плавают в жидкости, чувствуют изменения температуры, принимают решения самостоятельно и работают месяцами. Стоимость каждого примерно одна копейка. Эти маленькие роботы полностью автономны. Нет проводов, магнитных полей, джойстика извне. Только крошечный компьютер, датчики и система propulsion, встроенные в нечто почти слишком маленькое, чтобы увидеть невооружённым глазом. 

«Мы создали автономных роботов в 10 000 раз меньших размеров», — сказал Марк Мискин, доцент Пенсильванского инженерного факультета, в Science Daily. «Это открывает совершенно новый масштаб для программируемых роботов.» Этот прорыв решает проблему, которая озадачивала робототехнику 40 лет: как создавать машины, которые работают независимо на меньших чем один миллиметр размерах. Электроника продолжала уменьшаться, а роботы — нет. Физика на таком масштабе очень жесткая — Мискин объяснил, что продвижение через воду ощущается как продвижение через смолу, а маленькие руки или ноги просто ломаются. Поэтому команда полностью отказалась от традиционных конструкций. Вместо сгибания или гибкости конечностей, эти роботы создают электрическое поле, которое толкает заряженные частицы в окружающей жидкости. Эти ионы перетаскивают за собой молекулы воды, создавая движение.

Проектируемое временное отслеживание траекторий частиц-следов near робота, состоящего из трёх моторов, соединённых вместе. (Credit: Lucas Hanson и William Reinhardt, Университет Пенсильвании)

Этот подход работает, потому что в нем нет движущихся частей. Электроды достаточно прочные, чтобы их можно было многократно переносить между образцами с помощью микропипетки без повреждений. Работая на светодиодном освещении, они плавают месяцами.

Маленькие солнечные панели, питающие этих роботов, вырабатывают всего 75 нановатт. Чтобы сделать это возможным, Мичиган разработал схемы, работающие при очень низких напряжениях, что сокращает потребление энергии более чем в 1000 раз. Также пришлось полностью переосмыслить работу программного обеспечения, сжатием того, что обычно требует множества инструкций, в одиночные, специализированные команды, помещающиеся в микроскопическую память. Результат: первый субмиллиметровый робот с полноценным компьютером. Процессор, память, датчики — полный комплект. Никто раньше не делал этого на таком масштабе.

Микроробот, полностью интегрированный с датчиками и компьютером, достаточно мал, чтобы балансировать на гребне отпечатка пальца. Credit: Марк Мискин, Университет Пенсильвании (Вставка: Микроробот на американской пенни, показывающий масштаб. Credit: Michael Simari, Университет Мичигана)

Эти роботы могут обнаруживать температуру с точностью до трети градуса Цельсия — шести десятых градуса по Фаренгейту для любителей имперской системы. Они могут двигаться к более теплым регионам или сообщать значения температуры, которые служат прокси для клеточной активности — потенциально мониторя отдельные клетки. Чтобы передавать свои измерения, исследователи разработали специальную инструкцию, которая кодирует данные в «колебаниях» небольшого танца, который выполняет робот. Учёные наблюдают через микроскоп и расшифровывают сообщение. Это похоже на то, как общаются пчёлы, — сказал профессор электротехники и компьютерной инженерии Мичигана Дэвид Блау. Роботы программируются с помощью световых импульсов, которые также питают их. У каждого есть уникальный адрес, что позволяет исследователям загружать разные программы в разные устройства. Они могут работать независимо или в координации группами, движущимися по моделям, похожим на стаи рыб, со скоростью до одного тела в секунду. Будущие версии смогут хранить более сложные программы, интегрировать новые датчики или работать в harsher environments. Текущий дизайн — это платформа, — сказал Мискин. — Его система propulsion работает с электроникой, которую можно дешево производить в больших масштабах. «Это действительно только первая глава», — сказал Мискин. «Мы показали, что можно поместить мозг, датчик и мотор в нечто почти слишком маленькое, чтобы увидеть, и чтобы оно выжило и работало месяцами.» «Как только у вас есть эта база», — добавил он, — «вы можете добавлять всевозможный интеллект и функциональность.»