Tyrėjai kuria programuojamus, autonomiškus robotus, mažesnius už ryžių grūdą

Pensilvanijos ir Mičigano universitetų mokslininkai sukūrė, jų teigimu, mažiausius pasaulyje visiškai programuojamus autonominius robotus. Robotai yra mikroskopinės plaukimo mašinos, kurios gali savarankiškai pajusti aplinką ir reaguoti į ją, veikti mėnesius ir kainuoja tik po centą.

Kiekvienas robotas, vos matomas plika akimi, yra apie 200 x 300 x 50 mikrometrų. Dėl to jie yra mažesni nei druskos grūdelis. Veikdami daugelio biologinių mikroorganizmų mastu, robotai galėtų patobulinti mediciną stebėdami atskirų ląstelių sveikatą ir gamindami, padėdami konstruoti mikroskopinius įrenginius.

Panašiai Kinijos mokslų akademijos Techninio fizikos ir chemijos instituto mokslininkai neseniai pranešė, kad naudoja kelių medžiagų, kelių modulių mikrorobotą, kad sučiuptų tokius mažus objektus kaip ląstelės. Naudojant femtosekundinį lazerinį tiesioginį rašymą įvairioms medžiagoms modeliuoti ir integruoti mikrometro skalėje, jų rankos formos sistema gali patraukti, nešti ir paleisti objektus, kurių vienos medžiagos sistemos negali pasiekti.

Varomi šviesos, robotai nešioja mikroskopinius kompiuterius. Jie gali būti užprogramuoti judėti sudėtingais modeliais, jausti vietinę temperatūrą ir atitinkamai koreguoti savo kelius.

Aprašytas Mokslo robotika ir Nacionalinės mokslų akademijos darbai (PNAS), robotai veikia be juostų, magnetinių laukų ar vairasvirtę primenančių valdiklių iš išorės, todėl jie yra pirmieji tikrai autonomiški, programuojami tokio masto robotai, sakė mokslininkai.

„Mes padarėme autonominius robotus 10 000 kartų mažesnius“, – sakė Marcas MiskinasPenn Engineering elektros ir sistemų inžinerijos docentas ir vyresnysis šio straipsnio autorius. „Tai atveria visiškai naują programuojamų robotų mastą.

Miskin dėl submilimetro barjero įveikimo

Paskutiniuose mikrorobotų gamybos etapuose vienu metu dislokuojami šimtai robotų. Mažos mašinos gali būti programuojamos atskirai arba masiškai, kad būtų galima atlikti eksperimentus. | Šaltinis: Maya Lassiter, Pensilvanijos universitetas

Dešimtmečius elektronika mažėjo ir mažėjo, bet robotams buvo sunku neatsilikti, – sakė Miskinas. – Sukurti robotus, kurie savarankiškai veiktų mažesniais nei vieno milimetro dydžiais, yra neįtikėtinai sunku. Ši sritis iš esmės įstrigo 40 metų.

Žmonių pasaulyje dominuojančios jėgos, pavyzdžiui, gravitacija ir inercija, priklauso nuo tūrio. Tačiau susitraukite iki ląstelės dydžio, o jėgos, susietos su paviršiaus plotu, pavyzdžiui, pasipriešinimas ir klampumas, paima viršų.

„Jei esi pakankamai mažas, spaudimas ant vandens prilygsta spaudimui per dervą“, – sakė Miskinas.

Kitaip tariant, mikroskalėje strategijos, perkeliančios didesnius robotus, pavyzdžiui, galūnes, retai būna sėkmingos. „Labai mažas kojas ir rankas lengva sulaužyti“, – pažymėjo Miskinas. “Juos taip pat labai sunku statyti.”

Taigi Pensilvanijos universiteto komanda turėjo sukurti visiškai naują varomąją sistemą, kuri veiktų su unikalia judėjimo fizika mikroskopinėje srityje, o ne prieš.

Tyrėjai priverčia robotus plaukti

Prognozuojamas sekimo dalelių trajektorijų laiko intervalas šalia roboto, kurį sudaro trys kartu sujungti varikliai. | Šaltinis: Lucas Hanson ir William Reinhardt, Pensilvanijos universitetas

Didelės vandens būtybės, kaip ir žuvys, juda stumdamos vandenį už savęs. Trečiojo Niutono dėsnio dėka vanduo žuvį veikia lygiavertę ir priešingą jėgą, stumdamas ją į priekį.

Naujieji robotai, priešingai, visiškai nelanksto savo kūno. Atvirkščiai, jie sukuria elektrinį lauką, kuris išstumia jonus aplinkiniame tirpale. Šie jonai, savo ruožtu, stumia netoliese esančias vandens molekules, sukeldami vandenį aplink roboto kūną.

„Atrodo, kad robotas yra judančioje upėje, – sako Miskinas, – bet robotas taip pat sukelia upės judėjimą.

Robotai gali reguliuoti elektrinį lauką, kuris sukelia efektą, todėl jie gali judėti sudėtingais modeliais ir netgi keliauti koordinuotomis grupėmis, panašiai kaip žuvų būrys, iki vieno kūno ilgio per sekundę greičiu.

O kadangi lauką generuojantys elektrodai neturi judančių dalių, robotai yra itin patvarūs. „Galite pakartotinai perkelti šiuos robotus iš vieno mėginio į kitą naudodami mikropipetę jų nepažeisdami“, – sakė Miskinas.

Įkraunami šviesos diodo švytėjimo, robotai gali plaukti ištisus mėnesius.

Mičigano universiteto mokslininkai suteikia robotams smegenis

Robotas turi sukomplektuotą borto kompiuterį, kuris leidžia savarankiškai priimti ir vykdyti instrukcijas. | Šaltinis: Miskin Lab, Penn Engineering; Blaauw laboratorija, Mičigano universitetas

Kad robotas būtų tikrai savarankiškas, jam reikia kompiuterio, kad jis priimtų sprendimus, elektronikos, kad jaustų aplinką ir valdytų jo varomąją jėgą, ir mažyčių saulės baterijų, kad būtų galima maitinti viską, ir viskas, ko reikia, kad tilptų į milimetro dalies dydžio lustą. Štai kur Davidas BlaauwasMičigano universiteto komanda pradėjo veikti.

Blaauw laboratorijai priklauso mažiausio pasaulyje kompiuterio rekordas. Kai Miskinas ir Blaauw pirmą kartą susitiko Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūros (DARPA) surengtame pristatyme prieš penkerius metus, pora iškart suprato, kad jų technologijos puikiai dera.

„Matėme, kad „Penn Engineering“ varomoji sistema ir mūsų maži elektroniniai kompiuteriai buvo tiesiog sukurti vienas kitam“, – prisiminė Blaauw. Vis dėlto prireikė penkerių metų sunkaus abiejų pusių darbo, kad pristatytų savo pirmąjį darbinį robotą.

“Pagrindinis elektronikos iššūkis, – sako Blaauw, – yra tai, kad saulės baterijos yra mažos ir sukuria tik 75 nanovatus galios. Tai yra daugiau nei 100 000 kartų mažiau energijos nei sunaudoja išmanusis laikrodis.”

Kad roboto kompiuteris veiktų su tokia maža galia, Mičigano komanda sukūrė specialias grandines, kurios veikia esant itin žemai įtampai ir sumažina kompiuterio energijos suvartojimą daugiau nei 1000 kartų.

Vis dėlto saulės baterijos užima didžiąją dalį roboto vietos. Todėl antrasis iššūkis buvo prigrūsti procesorių ir atmintį, kad programa būtų išsaugota nedidelėje likusioje vietoje.

„Turėjome visiškai permąstyti kompiuterinės programos instrukcijas, sutrumpinant tai, kas įprastai reikalauja daugybės varomosios jėgos valdymo instrukcijų, į vieną specialią instrukciją, kad programos ilgis būtų sumažintas, kad tilptų į mažą roboto atminties erdvę“, – sakė Blaauw.

Robotai, kurie jaučia, prisimena ir reaguoja

Mikrorobotas, visiškai integruotas su jutikliais ir kompiuteriu, yra pakankamai mažas, kad galėtų balansuoti ant piršto atspaudo keteros. | Šaltinis: Marcas Miskinas, Pensilvanijos universitetas

Tyrėjai teigė, kad šios naujovės tapo įmanomomis – tai pirmasis submilimetro robotas, galintis iš tikrųjų mąstyti. Jie teigė, kad, jų žiniomis, į tokį mažą robotą niekas anksčiau nėra įdėjęs tikro kompiuterio, įskaitant procesorių, atmintį ir jutiklius. Dėl šio proveržio šie prietaisai tampa pirmaisiais mikroskopiniais robotais, kurie gali pajusti ir veikti patys, tvirtino komanda.

Robotai turi elektroninius jutiklius, kurie gali aptikti temperatūrą trečdalio Celsijaus laipsnio tikslumu. Tai leidžia robotams judėti link didėjančios temperatūros zonų arba pranešti apie temperatūrą – ląstelių aktyvumo pavyzdį – ir stebėti atskirų ląstelių būklę.

„Siekdami pranešti apie jų temperatūros matavimus, sukūrėme specialią kompiuterio instrukciją, kuri užkoduoja reikšmę, pvz., išmatuotą temperatūrą, mažo šokio, kurį atlieka robotas, judesius“, – sakė Blaauw. “Tada mes žiūrime į šį šokį per mikroskopą su fotoaparatu ir iš judėjimo iššifruojame, ką mums sako robotai. Tai labai panašu į tai, kaip bitės bendrauja tarpusavyje.”

Robotai programuojami šviesos impulsais, kurie juos taip pat maitina. Kiekvienas robotas turi unikalų adresą, kuris leidžia tyrėjams įkelti skirtingas programas kiekvienam robotui. „Tai atveria daugybę galimybių, nes kiekvienas robotas gali atlikti skirtingą vaidmenį atliekant didesnę bendrą užduotį“, – pridūrė Blaauw.

Mikrorobotai tik pradžia, teigia mokslininkai

Pasak mokslininkų, būsimos robotų versijos galėtų saugoti sudėtingesnes programas, judėti greičiau, integruoti naujus jutiklius arba veikti sudėtingesnėje aplinkoje. Iš esmės dabartinis dizainas yra bendra platforma: jo varomoji sistema sklandžiai veikia su elektronika, jos grandines galima pigiai pagaminti dideliu mastu, o jo konstrukcija leidžia pridėti naujų galimybių.

„Tai iš tikrųjų tik pirmasis skyrius“, – sakė Miskinas. “Mes parodėme, kad galite įdėti smegenis, jutiklį ir variklį į kažką, kas beveik per maža, kad matytumėte, ir kad jie išgyventų ir veiktų mėnesius. Kai turėsite šį pagrindą, galėsite panaudoti visų rūšių intelektą ir funkcionalumą. Tai atveria duris į visiškai naują robotikos ateitį mikroskopu.”