Так выглядит один из экспериментов, описанных в новой работе исследователей из Университет Пенсильвании, опубликованной на прошлой неделе в журнале Science Robotics. Учёные заявляют: им удалось создать по-настоящему автономных микророботов, которые ощущают среду, хранят состояние, получают инструкции и действуют в соответствии с программой.
Почему микророботы — одна из самых трудных задач в инженерии
За последние десятилетия инженеры научились создавать сложных автономных роботов — от промышленных манипуляторов до гуманоидных машин вроде Atlas. Все они полагаются на вычислительные чипы, алгоритмы управления, датчики и актуаторы.
Интуитивное решение — просто уменьшить эти системы. Но на микроскопическом уровне физика начинает работать против инженеров.
Как отмечает руководитель проекта Марк Мискин, законы, определяющие работу полупроводников, моторов и сенсоров, «ломаются» при радикальном масштабировании:
- поверхностные силы становятся доминирующими — устройства прилипают ко всему, включая друг друга;
- сопротивление среды резко ограничивает движение;
- миниатюрные процессоры страдают от шумов;
- датчики быстро теряют чувствительность;
- энергия становится критически ограниченным ресурсом.
Именно поэтому большинство существующих микророботов либо управляются извне (светом, магнитами), либо лишены автономности и «интеллекта».
Прорыв: цифровой мозг в 10 000 раз меньше обычного робота
Команда из Пенсильвании пошла иным путём. Вместо отказа от автономности они упаковали все ключевые функции робота в микромасштаб, уменьшив их примерно в 10 000 раз. Каждый микроробот по размеру сопоставим с одноклеточным организмом — например, парамецием.
При этом каждый бот содержит:
- датчики температуры,
- элементарный процессор,
- память (сотни бит),
- модуль связи,
- привод для движения,
- миниатюрные солнечные панели для питания.
Стоимость одного микроробота — порядка одного цента, а производятся они массово с использованием стандартных полупроводниковых технологий.
Минимальные вычисления — максимальная автономия
Из-за жёстких энергетических ограничений команда была вынуждена проектировать систему как набор компромиссов. Например, увеличение памяти позволяло хранить более сложные состояния, но резко увеличивало энергопотребление.
В итоге микророботы хранят лишь самое необходимое:
- текущее состояние,
- память о предыдущих действиях,
- активную инструкцию.
Исследователи создали библиотеку простых команд — вроде «измерь окружающую среду» или «перейди в режим движения». Эти команды передаются световыми импульсами, которые также используются как «пароли» для активации отдельных групп роботов.
Эксперименты: термометр, навигация и коллективное поведение
В одном из тестов микророботы измеряли температуру воды, оцифровывали её и передавали данные на базовую станцию. Вместо радиосвязи они кодировали информацию через движения, переводя показания датчиков в последовательности бит.
Для этого использовались всего две инструкции:
- измерение температуры,
- кодирование и передача данных.
Несмотря на простоту, микророботы фиксировали температурные перепады до 0,3 °C в крошечном объёме — точность, сравнимая и даже превосходящая некоторые цифровые микротермометры.
Поведение как у живых организмов
Микророботы способны:
- перемещаться вдоль температурных градиентов,
- автоматически менять режимы поведения,
- адаптироваться к новым инструкциям.
В спокойном состоянии они вращаются на месте. Обнаружив температурный сдвиг, они направляются в более тёплую (или холодную — в зависимости от команды) область и останавливаются, когда условия стабилизируются. Всё это происходит автономно, без внешнего управления в реальном времени.
Что дальше
Хотя нынешняя версия — лишь прототип, ключевой прорыв уже состоялся:
у микророботов появился перепрограммируемый цифровой мозг, способный ощущать, запоминать и действовать.
В дальнейшем команда планирует:
- добавить связь между микророботами,
- реализовать коллективное (роевое) поведение,
- улучшить двигатели для более быстрого и точного движения.
В перспективе такие системы смогут:
- доставлять лекарства внутри организма,
- исследовать микрофлюидные каналы и капилляры,
- контролировать окружающую среду,
- сделать нанопроизводство более управляемым.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
