Исследователи из университетов Пенсильвани и Мичигана представили самых маленьких в мире полностью программируемых автономных роботов. Микроскопические аппараты способны самостоятельно оценивать окружающую обстановку, реагировать на внешние раздражители, работать без перерыва месяцами, и при этом стоят они очень дешево. Устройство едва заметно невооруженным глазом и имеет размеры примерно 200 на 300 на 50 микрометров, что меньше крупинки соли.

Роботы, использующие световую энергию, оснащены микроскопическими компьютерами, определяют локальную температуру и автономно корректируют траекторию своего движения без помощи джойстика или какого-либо иного внешнего управления. Результаты исследований были опубликованы в журналах Science Robotics и Proceedings of the National Academy of Sciences.

Устройство едва заметно невооруженным глазом
Источник: Marc Miskin, University of Pennsylvania

На протяжении десятилетий размеры электронных компонентов неуклонно уменьшались, но роботы с трудом поспевали за складывающимися тенденциями. По признанию исследователей, создавать автономных роботов, которые имели бы размеры меньше одного миллиметра, невероятно сложно.

Силы гравитации и инерции действуют лишь на тела достаточно большой величины. При уменьшении до размеров клетки решающую роль начинают играть силы, связанные с площадью поверхности – сопротивление и вязкость. Микроскопическим телам плыть в воде почти так же трудно, как пробиваться через смолу. Кроме того, возникает вопрос, с помощью чего осуществлять передвижения? Крошечные ручки и ножки сложно изготовить, но легко сломать. Поэтому исследователям пришлось разработать совершенно новую двигательную установку, которая соответствовала бы уникальной физике перемещения в микроскопическом мире, а не противоречила ей.

Крупные водные существа, такие как рыбы, передвигаются, отталкивая воду позади себя. Согласно третьему закону Ньютона, вода оказывает на рыбу равное, но противоположное по направлению воздействие, подталкивая ее вперед. В отличие от живых существ, новые роботы не совершают никаких механических манипуляций. Вместо этого они генерируют электрическое поле, которое перемещает ионы в окружающей их жидкости. А ионы, в свою очередь, воздействуют на близлежащие молекулы воды, порождая силы для перемещения робота. Электрическое поле позволяет устройствам передвигаться сложными траекториями и даже объединяться, подобно косяку рыб, в скоординированные группы, перемещаясь со скоростью до одной длины тела в секунду.

Поскольку электроды, генерирующие электрическое поле, не имеют движущихся частей, роботы чрезвычайно долговечны. Заряжаясь от светодиода, они могут плавать месяцами без всякого перерыва. Чтобы быть по-настоящему автономным, роботу нужен компьютер для принятия решений, электроника для определения местоположения и управления движением, а также крошечные солнечные панели для питания всего оборудования, и все это должно умещаться на чипе размером в доли миллиметра.

Основная сложность, связанная с источниками питания, заключается в том, что солнечные панели очень малы и вырабатывают всего 75 нановатт энергии. Это в 100 тыс. раз меньше, чем потребляют умные часы. Чтобы обеспечить функционирование компьютера робота при такой малой мощности, команда из университета Мичигана разработала специальные схемы, с чрезвычайно низким напряжением, которые снижают энергопотребление компьютера более чем в тысячу раз.

Большую часть поверхности робота занимают солнечные панели. Разработчикам пришлось полностью переосмыслить характер компьютерной программы, сведя множество команд для управления движением к одной специальной инструкции, с тем чтобы сократить объем программы и уместить ее в крошечном пространстве памяти робота.

Устройства оснащены электронными датчиками, которые могут определять температуру с точностью до трети градуса по Цельсию.

Программирование их осуществляется с помощью световых импульсов, которые одновременно выполняют роль источника питания. Каждому роботу присваивается свой уникальный адрес, который позволяет загружать в них различные программы и отводить устройствам разные роли при решении масштабной совместной задачи.

В дальнейшем новые версии роботов смогут хранить более сложные программы, двигаться быстрее, поддерживать новые датчики и работать в более сложных условиях. Исследования показали, что мозг, сенсоры и мотор можно поместить в корпус, практически неразличимый обычным глазом, заставив автономное устройство непрерывно функционировать в течение нескольких месяцев. Все это сулит развитию робототехники на микроуровне самые широкие перспективы.