Плавание в сиропе и танцы пчел. Созданы роботы размером с бактерию (они стоят всего 1 цент)

Исследователи сообщили о создании микророботов, которые по размерам сопоставимы с микроорганизмами. Команда из Университета Пенсильвании представила, как утверждается, самых маленьких полностью программируемых автономных роботов, а «мозг» для них разработали в Мичиганском университете. По задумке авторов, такие устройства способны месяцами работать самостоятельно, воспринимать параметры среды и принимать простые решения без внешнего управления.

Каждый робот почти не различим невооруженным глазом и имеет габариты около 0,2 на 0,3 на 0,05 мм. Это масштаб бактерий и одноклеточных организмов, но при этом машины умеют двигаться по сложным траекториям, реагировать на изменения температуры и координировать движение в группе. Важная деталь конструкции, на которую обращают внимание разработчики, это отсутствие движущихся частей: вместо пропеллеров и суставов используется иной принцип тяги, который лучше подходит для «вязкой» гидродинамики на микроуровне.

В воде при таких размерах движение похоже не на плавание, а на проталкивание через густой сироп. Поэтому роботы не «отталкиваются» от воды механически. Они создают электрическое поле, которое сдвигает ионы в жидкости. Ионы, в свою очередь, воздействуют на молекулы воды и формируют поток, обеспечивающий тягу. Такая схема упрощает устройство и, по словам авторов, повышает долговечность: роботы могут «плавать» месяцами и их можно переносить микропипеткой.

Отдельный акцент сделан на цене и энергопотреблении. Сообщается, что изготовление одного робота обходится примерно в один цент, а питание обеспечивается светом. Большую часть поверхности занимают солнечные элементы: они собирают энергию и одновременно работают как оптические приемники. С помощью световых импульсов роботов не только «подпитывают», но и программируют. У каждого есть свой идентификатор, чтобы можно было отправлять индивидуальные команды разным устройствам в одной среде.

Вычислительная часть должна укладываться в крайне жесткий энергетический бюджет: порядка 75 нановатт, то есть на пять порядков меньше, чем у типичных носимых гаджетов. Ради этого разработчикам пришлось переосмыслить исполнение программ на таком уровне, в том числе «сжать» команды управления движением так, чтобы одна специальная инструкция заменяла последовательности операций, привычные для более крупных робототехнических систем.

Текущая версия оснащена температурными датчиками, которые, как утверждается, различают изменения примерно в пределах трети градуса Цельсия. Робот может двигаться в сторону более теплых зон или сообщать о колебаниях температуры характерными «виляющими» движениями, которые авторы сравнивают с «танцем» пчел.

Работа описана в журнале Science Robotics. Исследователи называют это лишь первым шагом: в следующих версиях они допускают добавление новых датчиков, более сложных программ и работу в более жестких условиях. Потенциальные области применения, которые обычно связывают с микро робототехникой, включают адресные измерения в труднодоступных средах, медицинские сценарии и задачи микро производства, хотя практическая реализация таких идей будет зависеть от того, как технология поведет себя вне лабораторных условий.