Инфузория на Python. Ученые создали микророботов с «мозгами», которые стоят меньше одного цента

Долгое время казалось, что у микророботов есть потолок: как только устройство становится меньше миллиметра, ему уже не хватает места и энергии на «мозги». В итоге самые маленькие образцы двигались лишь под внешним управлением, их буквально водили за руку магнитными катушками, ультразвуком или оптикой, а самостоятельности там почти не было. Теперь команда исследователей из Университета Пенсильвании и Мичиганского университета заявила, что смогла наконец пробить эту границу и сделать микроробота, который действительно умеет сам воспринимать среду, принимать решения и действовать.

Новый робот имеет размеры 210 × 340 × 50 микрометров, это сопоставимо с размером инфузории. При этом внутри у него помещается полноценная вычислительная система с памятью, датчиками и исполнительными элементами для движения. По оценке авторов, по объему такой «программируемый» робот получается примерно в 10 тысяч раз меньше прежних автономных решений, которые упирались в рубеж около 1 мм.

Главная проблема ниже миллиметра не в том, что сложно «уменьшить железо», а в том, что физика начинает играть против разработчиков. Энергия в микромасштабе хранится хуже, двигаться в вязкой среде труднее, а утечки в транзисторах становятся заметнее. Поэтому раньше приходилось выбирать: либо миниатюрность, либо вычисления и автономность. Марк Мискин, соавтор работы и ассистент-профессор электротехники и системной инженерии в Пенсильвании, объясняет решение просто: все компоненты проектировались специально под жизнь в таких размерах. Компьютер, сенсоры и «моторы» были кастомными, чтобы резко сократить энергопотребление и сэкономить место.

Питается устройство не от батарейки, а от света. На борту стоят фотоэлементы, которые забирают энергию от внешнего LED-источника, а дальше процессор запускает алгоритмы и управляет движением. В качестве сенсора используется температурный датчик с разрешением около 0,1 градуса Цельсия. Для движения применяются четыре платиновых электрода, которые создают электрокинетический поток жидкости без каких-либо подвижных деталей. Вся система укладывается примерно в 100 нановатт, это сравнимо с энергетическим «бюджетом» одноклеточного организма.

Отдельный трюк в том, как этих микророботов программируют. Вместо сложных внешних установок команде достаточно света: один светодиод постоянно подает энергию, а второй мигает и передает данные после «рукопожатия» с паролем. Дальше интерфейс на Python компилирует поведение в поток битов, и робот работает автономно уже по встроенному тактовому генератору. Для экономии памяти архитектуру команд сделали максимально сжатой: операции упакованы в 11-битные инструкции вроде движения, чтения температуры и передачи данных. Памяти на борту немного, порядка 500 бит, поэтому часть «тяжелой» нагрузки во время программирования берет на себя внешняя станция, выступая временным буфером.

Чтобы доказать, что это не просто миниатюрный чип, а действительно робот, авторы показали несколько сценариев поведения. В испытаниях устройство переключалось между разными режимами движения, могло ехать прямо, поворачивать и двигаться по дуге. Скорости пока скромные, несколько микрометров в секунду в поступательном движении и доли градуса в секунду при повороте, но разработчики отмечают, что есть запас для ускорения при повышении напряжения, вплоть до предела, где начнется электролиз воды.

Самое интересное начинается там, где появляется обратная связь. Робот измерял температуру, принимал решение и затем «отчитывался», кодируя данные собственными движениями. Для передачи использовали манчестерское кодирование: шаг вперед означал единицу, шаг назад ноль. По словам Мискина, логика была прагматичной: раз на борту уже есть исполнительные элементы, их можно использовать и как примитивный канал связи, не добавляя отдельный радиомодуль.

Не менее важна и производственная сторона. Эти микророботы не собирают вручную из микродеталей. Их делают полностью литографически, как полупроводники, сразу тысячами на кремниевых пластинах. Авторы утверждают, что процесс совместим со стандартными фабриками и при масштабировании стоимость одного робота выходит меньше одного цента. В лабораторной практике это меняет экономику экспериментов: вместо единичных сложных образцов появляется платформа, которую можно штамповать и программировать светом без магнитных катушек, ультразвуковых решеток и дорогих систем трекинга.

По сути, работа закрывает многолетний компромисс «маленький или умный». Если подход подтвердит себя в реальных средах, у микророботов появится то, чего им сильнее всего не хватало, автономность без громоздкой внешней инфраструктуры. Авторы уже говорят о следующих шагах: увеличить память, ускорить движение, научить устройства обмениваться данными и работать роем. И, как подчеркнул Мискин, самое ценное здесь именно программируемость: с компьютером на борту такие микромашины смогут делать не только то, что задумали их создатели сегодня, а то, что им напишут завтра.