Вчені вмістили комп’ютер у робота розміром із зернятко солі

Коротко

• Вчені створили автономних роботів розміром із зернятко солі, які плавають, відчувають температуру та працюють незалежно протягом місяців.
• Роботи використовують електричні поля замість рухомих частин.
• Це перші субміліметрові роботи з інтегрованими комп’ютерами, вартістю один цент кожен.

Вчені щойно зменшили розмір автономних роботів до розміру пилинки. І вони можуть думати — так собі. Команда з Університету Пенсильванії та Університету Мічигану створила мікроскопічні машини — 200 на 300 на 50 мікрометрів, розміром із зернятко солі, — які плавають у рідині, відчувають зміни температури, приймають рішення самостійно та працюють місяцями. Вартість кожного — приблизно один цент. Ці маленькі роботи цілком автономні. Ніяких проводів, магнітних полів, джойстиків ззовні. Лише мікроскопічний комп’ютер, датчики та система руху, вмісні у щось майже занадто мале, щоб побачити неозброєним оком. 

«Ми зробили автономних роботів у 10 000 разів менше», — сказав Марк Міскін, доцент Пенсильванського інженерного факультету, у Science Daily. «Це відкриває цілком новий масштаб для програмованих роботів». Цей прорив вирішує проблему, яка вже 40 років ставить у глухий кут робототехніку: як створити машини, що працюють незалежно менше ніж за один міліметр. Електроніка продовжувала зменшуватися, але роботи — ні. Фізика на такому масштабі дуже жорстка — Міскін пояснив, що рух у воді нагадує рух у смолі, а маленькі руки або ноги просто ламаються. Тому команда повністю відмовилася від традиційних дизайнів. Замість згинання або гнучкості кінцівок, ці роботи генерують електричне поле, яке штовхає заряджені частинки у навколишній рідині. Ці іони тягнуть за собою молекули води, створюючи рух.

Прогнозований таймлапс траєкторій частинок-міток біля робота, що складається з трьох моторів, з’єднаних разом. (Credit: Лукас Хенсон і Вільям Райнхарт, Університет Пенсильванії)

Цей підхід працює, оскільки він не має рухомих частин. Електроди достатньо міцні, щоб їх можна було багаторазово переносити між зразками за допомогою мікропіпетки без пошкоджень. Живлячись від світла LED, вони плавають місяцями.

Маленькі сонячні панелі, що живлять цих роботів, виробляють лише 75 нановатт. Щоб зробити це можливим, у Мічигані розробили схеми, що працюють при дуже низьких напругах, зменшуючи споживання більш ніж у 1000 разів. Також довелося повністю переосмислити роботу програмного забезпечення, зменшивши те, що зазвичай вимагає багато інструкцій, до однієї, спеціалізованої команди, що поміщається у мікроскопічну пам’ять. Результат: перший субміліметровий робот із повним комп’ютером. Процесор, пам’ять, датчики — повний комплект. Ніхто раніше не робив такого на цьому масштабі.

Мікроробот, повністю інтегрований із датчиками та комп’ютером, настільки малий, що може балансувати на краю відбитка пальця. Credit: Марк Міскін, Університет Пенсильванії (Вставка: Мікроробот на пенні США, що показує масштаб. Credit: Майкл Сімарі, Університет Мічигану)

Ці роботи можуть визначати температуру з точністю до третини градуса Цельсія — шостих часток градуса за Фаренгейтом для любителів імперської системи. Вони можуть рухатися до тепліших регіонів або повідомляти значення температури, що слугують проксі для клітинної активності — потенційно моніторячи окремі клітини. Щоб передавати свої вимірювання, дослідники розробили спеціальну команду, яка кодує дані у «хитаннях» невеликого танцю робота. Вчені спостерігають через мікроскоп і розшифровують повідомлення. Це схоже на те, як комунікують бджоли, сказав професор електротехніки та комп’ютерної інженерії Мічиганського університету Девід Блау. Роботи програмуються за допомогою світлових імпульсів, що одночасно їх живлять. Кожен має унікальну адресу, що дозволяє дослідникам завантажувати різні програми на різні одиниці. Вони можуть працювати незалежно або координуватися у групах, рухаючись у патернах, схожих на зграї риб, зі швидкістю до однієї довжини тіла за секунду. Майбутні версії зможуть зберігати більш складні програми, інтегрувати нові датчики або працювати у більш суворих умовах. Поточний дизайн — це платформа, її система руху працює з електронікою, яку можна дешево виготовляти у масштабі. «Це справді лише перша глава», — сказав Міскін. «Ми показали, що можна вставити мозок, датчик і мотор у щось майже занадто мале, щоб побачити, і щоб воно вижило та працювало місяцями». «Якщо у вас є така основа», — додав він, — «ви можете додавати будь-який рівень інтелекту та функціональності».