Mikromaskiner: Hur nästa stora sak inom robotik faktiskt är ganska liten

Ett halvt sekel efter att Neil Armstrong minnesvärt uttalade orden "ett gigantiskt språng för mänskligheten" har den tekniska innovationen blivit mindre. Ja, vi njuter fortfarande av enorma, skyskrapande byggnader och raketernas gravitationstrotsande kraft, men många av de största framstegen sker i en skala som är ofattbart liten bredvid de igår. Nya generationer av mobila enheter – oavsett om det är bärbara datorer, smartphones och smarta klockor – rakar bara millimeter av tjockleken på sina redan tunna föregångare; gör redan små och bärbara enheter ännu mindre och mer bärbara. CRISPR/cas9-teknologin gör det möjligt för forskare att redigera enskilda gener; potentiellt utrota dödliga sjukdomar som ett resultat. Nya processer i nanometerskala tillåter chipdesigners att klämma in allt fler transistorer på ytan av integrerade kretsar; fördubbling av datorkraften var 12-18:e månad under processen.

Robotikens värld är inte annorlunda. Tänk att robotar som Boston Dynamics hundinspirerad Spot-robot eller humanoid Atlas-robot ligger högst upp i innovationshögen, helt enkelt för att de är mest synliga? Inte så fort! I den minsta delen av spektrumet är framstegen kanske inte så tydliga – men i sin skala kan de vara ännu mer spännande.

Välkommen till en värld av robotar i mikroskala, en genre av robotik som är mindre uppseendeväckande än sina metalliska storebröder och systrar, men potentiellt lika transformerande. Dessa robotar kan vara användbara för ett brett spektrum av tillämpningar, från att utföra kirurgiska bedrifter i mikroskala eller nanoskala till att utforska andra planeter.

Exempel finns överallt

Demonstrationer av denna teknik i aktion finns överallt. Nyligen byggde forskare vid University of Southern California en flygande, insektsinspirerad robot som väger bara 95 milligram och är mindre än ett öre.

Samtidigt, vid Tysklands Max Planck Institute for Intelligent Systems, till exempel, har ingenjörer byggt en liten styrbar bil. Det låter inte särskilt ovanligt förrän du hör att bilen i fråga inte är en liten bil som en Chevrolet Spark eller en Ford Fiesta, utan snarare en bilformad robot bara 40 till 50 mikrometer in storlek. Det är ungefär hälften av diametern på ett enda människohår. Labbet har byggt en serie sådana självmonterande mobila mikromaskiner som kan programmeras att monteras i en mängd olika formationer beroende på vad som krävs av dem. Och det är inte allt.

"Vårt team har föreslagit [ett antal] nya syntetiska och biohybridmikrorobotar," Dr Metin Sitti, chef för Max Planck Institutes avdelning för fysisk intelligens, berättade för Digital Trends. "Som syntetiska småskaliga robotar har vi demonstrerat olika mjuka formprogrammerbara trådlösa mobila robotar med multi-rörelse och multifunktionell driftkapacitet. Sådana mjuka små robotar har inspirerats av mjuka småskaliga djur som maneter, larver, varmar, spermier och skalbaggar. Som biohybridmikrorobotar har vi [även] föreslagit bakterie- och algdrivna mikrosimmare för att leverera de bifogade last i målregioner medan de känner av mikromiljö, [som] kemiska eller syregradienter, pH-förändringar och ljus."

Ordet "de", som i plural, kastas runt mycket när folk pratar om mikrobotar. Vi kan överväga att låta flera stora robotar arbeta tillsammans, men det är troligt att det bara är ett fåtal som fungerar tillsammans med varandra. För att parafrasera Green Days "Boulevard of Broken Dreams", är robotar av denna skala designade för att gå (eller rulla, eller krypa, eller simma eller hoppa) ensamma. Inte fallet i den mindre delen av spektrumet.

"Med traditionella robotar måste robotarna vara sofistikerade och kunna utföra komplexa uppgifter vanligtvis själva", säger Dea Gyu Kim, en doktorand som arbetar med mikrorobotar vid Georgia Tech. "Men med mikrorobotar kan de vara billigare och enklare. Istället för att förlita sig på [en] enskild robot för att utföra en specifik komplex handling, kan en stor grupp av dem interagera på olika sätt för att utföra olika åtgärder."

Robotarna Kim har arbetat med är ett par millimeter långa, ungefär lika stora som en myra. (Även om teamet i framtiden hoppas kunna göra mindre.) Kallas "borst-bots,” de 3D-printade skapelserna går på fyra eller sex borstliknande ben. Tack vare närvaron av ett piezoelektriskt ställdon av blyzirkonattitanat på ryggen kan de styras med små vibrationer.

Hur ska vi använda dem?

"Den mest idealiska applikationen i verkliga världen [för dessa robotar] för mig är att använda en stor grupp borstrobotar för att komma åt svåråtkomliga områden, som t.ex. sprickor inuti stor infrastruktur eller små luckor i komplexa maskiner, där människor eller typiska robotar inte kan gå och utföra undersökningar," Kim fortsatt. "[De skulle kunna arbeta genom att] härma insektsbeteenden och [sända] tillbaka data av intresse."

Metin Sitti tror att det är det medicinska området där dessa små robotar kommer att vara till störst nytta. "Jag tror att den största vetenskapliga och samhälleliga effekten av mobil mikrorobotik skulle vara inom vården, där trådlösa mikrorobotar kan komma åt oöverträffade eller svåråtkomliga områden inuti människokroppen, säger Sitti fortsatt. "[Det kan vara användbart] för icke-invasiv eller minimalt invasiv medicinsk diagnos och behandling under kort eller lång varaktighet. Därför har min grupp fokuserat på att använda våra nya mikrorobotar för olika medicinska tillämpningar, såsom riktad cancerterapi, embolisering, öppning av blodpropp, biopsi och mikrokirurgi.”

Det finns många fler idéer var dessa två kom ifrån också. Från kontinuerliga avbildningsagenter till mikroteam av robotar som kan flytta föremål som är mycket större än de själva till magnetstyrda mikrorobotar som kan ta bort tungmetaller från förorenat vatten, det finns få områden där mikrorobotar inte kunde visa sig vara användbara i viss kapacitet. Eftersom forskare alltmer har visat sin förmåga att röra sig över en mängd olika terräng, allt från förrädiska lutningar till att simma genom kroppsvätskor, kommer de bara att bli mer användbara.

Flaskhalsar finns såklart fortfarande. Precis som med större robotar inkluderar dessa utmaningen att driva robotar utan att behöva hålla dem bundna, vilket gör dem smidigare och enklare att masstillverka dem. När det gäller medicinska tillämpningar måste de också bevisas vara säkra innan de kan användas för Fantastisk resa-stila uppdrag genom människokroppen. Men dessa utmaningar bearbetas, förfinas och i många fall lösas av ett ständigt växande antal forskare runt om i världen.

Som fysikern Richard Feynman en gång sa om området nanoteknik, mindre kusin till mikrorobotik, "Det finns gott om plats i botten.” Men det är verkligen inte på grund av bristande intresse!

Redaktörens rekommendationer

• Nästa stora sak inom vetenskap har du redan i fickan
• Framtiden för tillverkning: En blick framåt mot nästa era att tillverka saker
• Framtiden för A.I.: 4 stora saker att titta på under de närmaste åren
• Smarta dummies: Hur robotteknik för tackling förändrar fotbollsträning
• Hur data hjälper robotdammsugare att rengöra ditt hem med maximal effektivitet