Mikro stroji: Kako je naslednja velika stvar v robotiki pravzaprav zelo majhna

Pol stoletja po tem, ko je Neil Armstrong nepozabno izrekel besede "en velikanski skok za človeštvo", so tehnološke inovacije postale manjše. Da, še vedno smo navdušeni nad ogromnimi stavbami, ki segajo v nebo, in močjo raket, ki kljubujejo gravitaciji, vendar veliko največjih napredkov se zgodi v obsegu, ki je nepredstavljivo majhen v primerjavi z včeraj. Nove generacije mobilnih naprav – pa naj gre za prenosnike, pametne telefone in pametne ure – so le za milimetre manjše od debeline svojih že tako tankih predhodnikov; zaradi česar so že majhne in prenosne naprave še manjše in bolj prenosljive. Tehnologija CRISPR/cas9 omogoča znanstvenikom urejanje posameznih genov; posledično lahko izkorenini smrtonosne bolezni. Novi postopki v nanometrskem merilu omogočajo oblikovalcem čipov, da na površino integriranih vezij stisnejo vedno več tranzistorjev; podvojitev računalniške moči vsakih 12-18 mesecev v procesu.

Svet robotike ni nič drugačen. Pomislite, da roboti, kot je Boston Dynamics robot Spot po pasjem navdihu oz humanoidni robot Atlas so na vrhu kupa inovacij, preprosto zato, ker so najbolj vidni? Ne tako hitro! Na manjšem koncu spektra napredek morda ni tako očiten - vendar je v svojem obsegu morda še bolj razburljiv.

Dobrodošli v svetu robotov v mikroskopskem merilu, zvrsti robotike, ki manj pritegne pozornost z ustavitvijo in strmenjem kot njeni kovinski veliki bratje in sestre, a potencialno prav tako transformativna. Ti roboti bi lahko bili uporabni za širok nabor aplikacij, od izvajanja kirurških podvigov v mikroskopskem ali nanomelarnem merilu do raziskovanja drugih planetov.

Primeri so povsod

Predstavitve te tehnologije v akciji so povsod. Pred kratkim so raziskovalci na Univerzi Južne Kalifornije zgradili a leteči robot, ki ga navdihuje žuželka ki tehta le 95 miligramov in je manjši od penija.

Medtem so inženirji na nemškem inštitutu Maxa Plancka za inteligentne sisteme zgradil majhen vodljiv avto. To se ne sliši nič nenavadnega, dokler ne slišite, da zadevni avto ni majhen avtomobil kot Chevrolet Spark ali Ford Fiesta, temveč robot v obliki avtomobila, velik le 40 do 50 mikrometrov velikost. To je približno polovica premera enega samega človeškega lasu. Laboratorij je izdelal serijo takšnih samosestavljivih mobilnih mikrostrojev, ki jih je mogoče programirati za sestavljanje v najrazličnejših oblikah, odvisno od tega, kaj se od njih zahteva. In to še ni vse.

"Naša ekipa je predlagala [število] novih sintetičnih in biohibridnih mikrorobotov," dr. Metin Sitti, direktor oddelka za fizično inteligenco inštituta Max Planck, je povedal za Digital Trends. »Kot sintetične majhne robote smo prikazali različne brezžične mobilne robote z mehko obliko, ki jih je mogoče programirati, z možnostjo več gibanja in večnamenskega delovanja. Takšni mehki drobni roboti so bili navdihnjeni z mehkimi majhnimi živalmi, kot so meduze, gosenice, ognjiči, spermatozoidi in ličinke hroščev. Kot biohibridne mikrorobote smo [tudi] predlagali mikroplavalce, ki jih poganjajo bakterije in alge, za dostavo priloženih tovora v ciljnih regijah, medtem ko zaznavajo mikrookolje, [kot so] kemični ali kisikovi gradienti, spremembe pH in svetloba."

Beseda »oni«, tako kot v množini, se pogosto uporablja, ko ljudje govorijo o mikrobotih. Morda bi razmislili o tem, da bi več velikih robotov delovalo skupaj, vendar jih bo verjetno le nekaj delovalo v povezavi drug z drugim. Če parafraziram "Bulevar razbitih sanj" Green Daya, so roboti tega obsega zasnovani tako, da hodijo (ali se kotalijo, ali plazijo, ali plavajo ali skačejo) sami. Na manjšem koncu spektra ni tako.

»Pri tradicionalnih robotih morajo biti roboti izpopolnjeni in sposobni opravljati zapletene naloge, običajno sami,« je povedala Dea Gyu Kim, doktorska kandidatka, ki se ukvarja z mikroroboti pri Georgia Tech. »Vendar pa so z mikroroboti lahko cenejši in preprostejši. Namesto da bi se zanašali na [enega] enega samega robota za izvedbo enega posebnega zapletenega dejanja, lahko velika skupina robotov sodeluje na različne načine, da doseže različna dejanja.«

Roboti, na katerih je delala Kim, so dolgi nekaj milimetrov, približno veliki kot mravlja. (Čeprav ekipa upa, da bo v prihodnosti še manjša.) Imenuje se "ščetine-boti,« 3D-natisnjene kreacije hodijo po štirih ali šestih ščetinastih nogah. Zahvaljujoč prisotnosti piezoelektričnega aktuatorja iz svinčevega cirkonat titanata na njihovi hrbtni strani, jih je mogoče krmiliti z majhnimi vibracijami.

Kako jih bomo uporabili?

»Najbolj idealna aplikacija v resničnem svetu [za te robote] zame je uporaba velike skupine robotov s ščetinami za dostop do težko dostopnih območij, kot je npr. razpoke v veliki infrastrukturi ali majhne vrzeli v zapletenih strojih, kamor ljudje ali tipični roboti ne morejo iti in opravljati raziskav,« Kim nadaljevano. "[Lahko bi delovali tako, da] posnemajo vedenje žuželk pri iskanju hrane in [pošiljajo] povratne podatke, ki nas zanimajo."

Metin Sitti medtem meni, da je področje medicine tisto, kjer bodo ti majhni roboti najbolj uporabni. »Verjamem, da bi imela mobilna mikrorobotika največji znanstveni in družbeni vpliv v zdravstvu, kjer Brezžični mikroroboti lahko dostopajo do neprimerljivih ali težko dostopnih področij v človeškem telesu,« Sitti nadaljevano. »[To bi lahko bilo koristno] za neinvazivno ali minimalno invazivno medicinsko diagnozo in zdravljenje za kratek ali dolg čas. Zato se je moja skupina osredotočila na uporabo naših novih mikrorobotov za različne medicinske aplikacije, kot so ciljno zdravljenje raka, embolizacija, odpiranje krvnih strdkov, biopsija in mikrokirurgija.«

Obstaja še veliko idej, od kod prihajata ta dva. Od agentov za neprekinjeno slikanje do mikro-ekip robotov, ki lahko premikajo predmete, veliko večje od njih samih, do magnetno vodenih mikro-robotov, ki lahko odstranijo težke kovine iz onesnažene vode, obstaja nekaj področij, kjer se mikroroboti ne bi mogli izkazati za uporabne v določeni meri. Ker so raziskovalci čedalje bolj dokazovali njihovo sposobnost premikanja po najrazličnejših terenih, od zahrbtnih naklonov do plavanja skozi telesne tekočine, bodo le še bolj uporabni.

Ozka grla seveda še vedno obstajajo. Kot pri večjih robotih, ti vključujejo izziv napajanja robotov, ne da bi jih morali držati privezane, zaradi česar so bolj okretni in jih je lažje množično izdelovati. V primeru uporabe v medicini bo treba tudi dokazati, da so varni, preden jih je mogoče uporabiti Fantastično potovanje-style misije skozi človeško telo. Vendar se s temi izzivi ukvarja vedno večje število raziskovalcev po vsem svetu, jih izpopolnjuje in v mnogih primerih rešuje.

Kot je fizik Richard Feynman nekoč rekel o področju nanotehnologije, manjšem bratrancu mikrorobotike, "Na dnu je dovolj prostora.” Ampak to zagotovo ne zaradi pomanjkanja zanimanja!

Priporočila urednikov

• Naslednja velika stvar v znanosti je že v vašem žepu
• Prihodnost proizvodnje: pogled naprej v naslednjo dobo izdelovanja stvari
• Prihodnost AI: 4 velike stvari, na katere morate biti pozorni v naslednjih nekaj letih
• Pametne lutke: Kako robotska tehnologija spreminja nogometno prakso
• Kako podatki pomagajo robotskim sesalcem pri čiščenju vašega doma z največjo učinkovitostjo