Naukowcy z Uniwersytetów Pensylwanii i Uniwersytetu Michigan poczynili znaczne postępy w robotyce: stworzyli w pełni autonomiczne roboty zasilane energią słoneczną, których wyprodukowanie kosztuje zaledwie jednego centa. Maszyny te, mniejsze niż ziarnko soli, pokonują wyzwania stojące przed dziesięcioleciami mikrorobotyki, wykorzystując napęd elektryczny i nowe obwody. Rozwój ten otwiera drzwi do postępu w nanotechnologii, badaniach medycznych i nie tylko.
Odwieczny problem w mikrorobotyce
Przez 40 lat robotyka stawiała czoła wyzwaniom związanym z tworzeniem niezależnych robotów w skali submilimetrowej. Problem nie dotyczy tylko miniaturyzacji, ale także fizyki. W miarę jak obiekty stają się mniejsze, bezwładność staje się mniej dominująca, natomiast dominują efekty powierzchniowe, takie jak lepkość i opór. Oznacza to, że tradycyjne konstrukcje napędowe, takie jak nogi czy ramiona, stają się niepraktyczne w mikroskali – napęd w cieczach w tej skali przypomina poruszanie się po żywicy. Rozwiązanie opracowane przez zespół eliminuje potrzebę stosowania mechanicznych kończyn, opierając się zamiast tego na polach elektrycznych do napędzania robotów.
Jak działają: prąd, jony i woda
Każdy robot o wymiarach około 200 x 300 x 50 mikrometrów po zanurzeniu w roztworze przekształca energię z maleńkich paneli słonecznych w pole elektryczne. To pole wypycha pobliskie jony, które następnie wypierają otaczające cząsteczki wody, powodując ruch. Roboty nie ograniczają się do prostego poruszania się do przodu lub do tyłu: dostosowując pole elektryczne, mogą poruszać się indywidualnie lub w grupie, naśladując zachowanie ławicy ryb. Naukowcy wyjaśniają to tak, jakby robot zarówno przebywał w płynącej rzece, jak i wprawiał ją w ruch.
Pokonywanie ograniczeń mocy: radykalny projekt obwodów
Miniaturyzacja stwarza kolejne wyzwanie: ograniczoną przestrzeń na zasilacze, pamięć i obwody. Roboty zużywają zaledwie 75 nanowatów – ponad 100 000 razy mniej niż zużywa smartwatch. Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie z Uniwersytetu Michigan opracowali całkowicie nowe obwody działające przy niskim napięciu, zmniejszając zapotrzebowanie robota na energię ponad 1000 razy. Panele słoneczne zajmują większość powierzchni robota, więc zespół musiał radykalnie skompresować instrukcje programowania.
Komunikacja poprzez ruch: „Taniec machania”
Mikroroboty obejmują czujniki, które mogą wykrywać temperaturę z dużą dokładnością (w zakresie jednej trzeciej stopnia Celsjusza). Aby przekazać swoje odkrycia, wykorzystują unikalną metodę komunikacji inspirowaną pszczołami. Kodują dane w „tańcu drgającym” – specyficznym wzorcu ruchu, który badacze mogą rozszyfrować za pomocą mikroskopu i kamery. Dzięki temu roboty mogą przesyłać informacje bez konieczności stosowania skomplikowanych systemów bezprzewodowych.
Perspektywy na przyszłość
Roboty mogą teraz wykrywać zmiany temperatury, co potencjalnie czyni je przydatnymi do śledzenia aktywności komórkowej i oceny stanu komórek. Ale położono podwaliny pod jeszcze bardziej zaawansowane możliwości. W miarę dalszego rozwoju te mikroroboty będą mogły zawierać dodatkowe czujniki i poruszać się w bardziej złożonych środowiskach, otwierając możliwości ukierunkowanego dostarczania leków, monitorowania środowiska, a nawet produkcji precyzyjnej.
„Pokazaliśmy, że można umieścić mózg, czujnik i silnik w czymś niemal zbyt małym, aby można je było zobaczyć, a dzięki temu przetrwa i będzie działał przez wiele miesięcy” – powiedział Mark Miskin, główny inżynier na Uniwersytecie Pensylwanii. Ten przełom nie tylko rozwiązuje długotrwały problem w robotyce, ale także otwiera nową erę możliwości dla ultramałych maszyn autonomicznych.
