Исследователи из Университета Пенсильвании и Университета Мичигана достигли значительного прогресса в робототехнике: они создали полностью автономных, питающихся от солнечной энергии роботов, стоимость производства которых составляет всего один цент. Эти машины, меньше крупинки соли, преодолевают многолетние проблемы в микроробототехнике, используя электрическую тягу и новые схемы. Эта разработка открывает двери для достижений в нанотехнологиях, медицинских исследованиях и многом другом.
Многолетняя проблема микроробототехники
На протяжении 40 лет робототехника сталкивалась с трудностями при создании независимых роботов субмиллиметрового масштаба. Проблема заключается не только в миниатюризации, но и в физике. По мере уменьшения объектов инерция становится менее доминирующей, в то время как поверхностные эффекты, такие как вязкость и сопротивление, берут верх. Это означает, что традиционные конструкции движителей, такие как ноги или руки, становятся непрактичными на микроуровне – движение в жидкостях в этом масштабе сродни передвижению по смоле. Решение команды обходит необходимость в механических конечностях, полагаясь вместо этого на электрические поля для приведения роботов в движение.
Как они работают: электричество, ионы и вода
Каждый робот, размером примерно 200 x 300 x 50 микрометров, преобразует энергию от крошечных солнечных панелей в электрическое поле при погружении в раствор. Это поле толкает находящиеся поблизости ионы, которые затем смещают окружающие молекулы воды, создавая движение. Роботы не ограничены простым движением вперед или назад: путем регулировки электрического поля они могут двигаться по отдельности или согласованно, имитируя поведение косяка рыб. Исследователи объясняют это так, будто робот одновременно находится в движущейся реке и заставляет реку двигаться.
Преодоление ограничений по мощности: радикальный дизайн схемы
Миниатюризация представляет еще одну проблему: ограниченное пространство для источников питания, памяти и схем. Роботы работают всего на 75 нановаттах – более чем в 100 000 раз меньше, чем потребляет смарт-часы. Чтобы решить эту задачу, инженеры из Университета Мичигана разработали совершенно новые схемы, которые работают при низком напряжении, уменьшив потребность робота в энергии более чем в 1000 раз. Солнечные панели занимают большую часть поверхности робота, поэтому команде пришлось радикально сжать инструкции программирования.
Коммуникация через движение: «Танец виляния»
Микророботы включают в себя датчики, способные обнаруживать температуру с высокой точностью (в пределах трети градуса Цельсия). Для передачи своих результатов они используют уникальный метод связи, вдохновленный пчелами. Они кодируют данные в «танец виляния» – определенный рисунок движения, который исследователи могут расшифровать с помощью микроскопа и камеры. Это позволяет роботам передавать информацию без необходимости в сложных беспроводных системах.
Будущие перспективы
В настоящее время роботы уже могут определять изменения температуры, что потенциально делает их полезными для отслеживания клеточной активности и оценки здоровья клеток. Но фундамент заложен для еще более продвинутых возможностей. При дальнейшей доработке эти микророботы смогут включать дополнительные датчики и перемещаться в более сложных средах, открывая возможности для целевой доставки лекарств, экологического мониторинга или даже прецизионного производства.
«Мы показали, что можно поместить мозг, датчик и двигатель во что-то почти слишком маленькое, чтобы увидеть, и заставить его выжить и работать в течение месяцев», — сказал Марк Мискин, ведущий инженер из Университета Пенсильвании. Этот прорыв не только решает давнюю проблему робототехники, но и открывает новую эру возможностей для ультрамалых автономных машин.
