Дослідники з Університетів Пенсільванії та Мічиганського університету досягли значного прогресу в робототехніці: вони створили повністю автономних роботів на сонячних батареях, виробництво яких коштує всього один цент. Ці машини, менші за крупинку солі, долають виклики мікроробототехніки, які виникли десятиліттями, завдяки використанню електричного двигуна та нових схем. Ця розробка відкриває двері для прогресу в нанотехнологіях, медичних дослідженнях тощо.
Вічна проблема мікроробототехніки
Протягом 40 років робототехніка стикалася з проблемами створення незалежних роботів субміліметрового масштабу. Проблема полягає не лише в мініатюризації, а й у фізиці. Коли об’єкти стають меншими, інерція стає менш домінуючою, тоді як поверхневі ефекти, такі як в’язкість і опір, беруть верх. Це означає, що традиційні конструкції двигунів, такі як ноги чи руки, стають непрактичними на мікромасштабі — рух у рідинах у такому масштабі схожий на пересування на смолі. Рішення команди обходить потребу в механічних кінцівках, покладаючись замість цього на електричні поля для руху роботів.
Як вони працюють: електрика, іони та вода
Кожен робот, розміром приблизно 200 х 300 х 50 мікрометрів, перетворює енергію крихітних сонячних панелей в електричне поле при зануренні в розчин. Це поле штовхає сусідні іони, які потім витісняють навколишні молекули води, створюючи рух. Роботи не обмежуються лише рухом вперед або назад: регулюючи електричне поле, вони можуть рухатися окремо або узгоджено, імітуючи поведінку зграї риб. Дослідники пояснюють це так, ніби робот одночасно перебуває в рухомій річці і змушує річку рухатися.
Подолання обмежень потужності: радикальне проектування схем
Мініатюризація створює ще одну проблему: обмежений простір для блоків живлення, пам’яті та схем. Роботи споживають лише 75 нановат — у понад 100 000 разів менше, ніж споживає розумний годинник. Щоб вирішити цю проблему, інженери Мічиганського університету розробили абсолютно нові схеми, які працюють при низькій напрузі, зменшуючи енергоспоживання робота більш ніж у 1000 разів. Сонячні панелі займають більшу частину поверхні робота, тому команді довелося радикально стиснути інструкції з програмування.
Спілкування через рух: «Танець погойдування»
Мікророботи містять датчики, які можуть визначати температуру з високою точністю (в межах третини градуса Цельсія). Щоб повідомити про свої висновки, вони використовують унікальний метод спілкування, натхненний бджолами. Вони кодують дані в «танець ворушіння» — специфічний патерн руху, який дослідники можуть розшифрувати за допомогою мікроскопа та камери. Це дозволяє роботам передавати інформацію без використання складних бездротових систем.
Майбутні перспективи
Тепер роботи можуть виявляти зміни температури, що потенційно робить їх корисними для відстеження клітинної активності та оцінки стану клітин. Але закладено основу для ще більш розширених можливостей. З подальшим розвитком ці мікророботи могли б включати додаткові датчики та орієнтуватися в складніших середовищах, відкриваючи можливості для цільової доставки ліків, моніторингу навколишнього середовища або навіть точного виробництва.
«Ми показали, що можна помістити мозок, датчик і двигун у щось, майже надто маленьке, щоб побачити, і щоб воно вижило й працювало місяцями», — сказав Марк Міскін, провідний інженер Університету Пенсільванії. Цей прорив не тільки вирішує давню проблему в робототехніці, але й відкриває нову еру можливостей для надмалих автономних машин.
