Istraživači stvorili najmanje autonomne robote na svijetu

Istraživači sa Sveučilišta Pennsylvania i Sveučilišta Michigan stvorili su najmanje potpuno programabilne, autonomne robote na svijetu: mikroskopske plivajuće strojeve koji mogu samostalno osjetiti svoju okolinu i reagirati na nju, raditi mjesecima i koštati samo jedan penny svaki.

Jedva vidljivi golim okom, svaki robot mjeri oko 200 x 300 x 50 mikrometara, manji od zrna soli. Djelujući na razini mnogih bioloških mikroorganizama, roboti bi mogli unaprijediti medicinu praćenjem zdravlja pojedinačnih stanica i proizvodnju pomažući u izgradnji mikroskopskih uređaja.

Pokretani svjetlom, roboti nose mikroskopska računala i mogu biti programirani za kretanje u složenim obrascima, osjećanje lokalnih temperatura i prilagođavanje njihovih putanja u skladu s tim.

Opisani u časopisima Science Robotics i Proceedings of the National Academy of Sciences, roboti rade bez vezica, magnetskih polja ili upravljanja poput joysticka izvana, što ih čini prvim istinski autonomnim, programabilnim robotima na ovoj razini.

“Napravili smo autonomne robote 10.000 puta manje,” kaže Marc Miskin, docent elektrotehničkog i sistemskog inženjerstva na Penn Engineering i glavni autor radova. “To otvara potpuno novu razinu za programabilne robote.”

Probijanje sub-milimetarske barijere

Desetljećima su elektronički uređaji postajali sve manji, ali roboti su se teško držali tog tempa. “Izgradnja robota koji samostalno djeluju na veličinama ispod jednog milimetra nevjerojatno je teška,” kaže Miskin. “Ovo područje je u biti zapelo na tom problemu 40 godina.”

Sile koje dominiraju ljudskim svijetom, poput gravitacije i inercije, ovise o volumenu. Smanjite se na veličinu stanice, međutim, i sile vezane za površinu, poput otpora i viskoznosti, preuzimaju kontrolu. “Ako ste dovoljno mali, guranje vode je poput guranja kroz katran,” kaže Miskin.

Drugim riječima, na mikroskopskoj razini, strategije koje pokreću veće robote, poput udova, rijetko uspijevaju. “Vrlo sitne noge i ruke lako se lome,” kaže Miskin. “Također ih je vrlo teško izgraditi.”

Tako je tim morao osmisliti potpuno novi sustav propulzije, koji radi s – a ne protiv – jedinstvene fizike kretanja u mikroskopskom području.

Omogućavanje robotima da plivaju

Velike vodene životinje, poput riba, kreću se gurajući vodu iza sebe. Zahvaljujući Newtonovom trećem zakonu, voda vrši jednaku i suprotnu silu na ribu, gurajući je naprijed.

Novi roboti, naprotiv, uopće ne savijaju svoja tijela. Umjesto toga, generiraju električno polje koje gura ione u okolnoj otopini. Ti ioni, zauzvrat, guraju obližnje molekule vode, pokrećući vodu oko tijela robota.

“Kao da je robot u pokretnoj rijeci,” kaže Miskin, “ali robot također uzrokuje da se rijeka kreće.”

Roboti mogu prilagoditi električno polje koje uzrokuje taj učinak, omogućujući im da se kreću u složenim obrascima i čak putuju u koordiniranim skupinama, poput jata riba, brzinama do jedne duljine tijela u sekundi.

A budući da elektrode koje stvaraju polje nemaju pokretnih dijelova, roboti su izuzetno izdržljivi. “Možete više puta prenijeti ove robote iz jednog uzorka u drugi pomoću mikropipete bez da ih oštetite,” kaže Miskin. Punjeni sjajem LED svjetla, roboti mogu nastaviti plivati mjesecima.

Davanje mozgova robotima

Da bi bio istinski autonoman, robot treba računalo za donošenje odluka, elektroniku za osjećanje okoline i kontrolu propulzije, te malene solarne ploče za napajanje svega, i sve to mora stati na čip koji je dio milimetra veličine. Tu je u akciju stupio tim Davida Blaauwa sa Sveučilišta Michigan.

Blaauwov laboratorij drži rekord za najmanje računalo na svijetu. Kada su se Miskin i Blaauw prvi put sreli na prezentaciji koju je organizirala Agencija za napredne istraživačke projekte obrane (DARPA) prije pet godina, par je odmah shvatio da su njihove tehnologije savršeno odgovarale jedna drugoj.

“Vidjeli smo da su sustav propulzije Penn Engineeringa i naša sićušna elektronička računala jednostavno stvoreni jedno za drugo,” kaže Blaauw. Ipak, trebalo je pet godina napornog rada s obje strane da isporuče svog prvog radnog robota.

“Ključni izazov za elektroniku,” kaže Blaauw, “jest da su solarne ploče sićušne i proizvode samo 75 nanowatta energije. To je preko 100.000 puta manje energije nego što troši pametni sat.”

Za pokretanje robotovog računala s tako malo energije, tim iz Michigana razvio je posebne krugove koji rade na izuzetno niskim naponima i smanjuju potrošnju energije računala za više od 1000 puta.

Ipak, solarne ploče zauzimaju većinu prostora na robotu. Stoga je drugi izazov bio ugurati procesor i memoriju za pohranu programa u mali preostali prostor.

“Morali smo potpuno preispitati upute računalnog programa,” kaže Blaauw, “kondenzirajući ono što bi konvencionalno zahtijevalo mnoge upute za kontrolu propulzije u jednu, posebnu uputu kako bismo smanjili duljinu programa da stane u robotov sićušni memorijski prostor.”

Roboti koji osjećaju, pamte i reagiraju

Ono što su ove inovacije omogućile jest prvi sub-milimetarski robot koji može stvarno razmišljati. Prema saznanjima istraživača, nitko prije nije ugradio pravo računalo – procesor, memoriju i senzore – u tako malog robota. Taj proboj čini ove uređaje prvim mikroskopskim robotima koji mogu samostalno osjećati i djelovati.

Roboti imaju elektroničke senzore koji mogu otkriti temperaturu s preciznošću unutar trećine stupnja Celzija. To omogućuje robotima da se kreću prema područjima rastuće temperature ili da izvještavaju o temperaturi – pokazatelju stanične aktivnosti – omogućujući im praćenje zdravlja pojedinačnih stanica.

“Da bi izvijestili o svojim mjerenjima temperature, dizajnirali smo posebnu računalnu uputu koja kodira vrijednost, poput izmjerene temperature, u vijugama malog plesa koji robot izvodi,” kaže Blaauw. “Zatim gledamo taj ples kroz mikroskop s kamerom i dekodiramo iz vijuga što nam roboti govore. To je vrlo slično načinu na koji pčele komuniciraju jedna s drugom.”

Roboti su programirani impulsima svjetlosti koji ih također napajaju. Svaki robot ima jedinstvenu adresu koja istraživačima omogućuje učitavanje različitih programa na svakog robota. “To otvara mnoštvo mogućnosti,” dodaje Blaauw, “pri čemu svaki robot potencijalno obavlja različitu ulogu u većem, zajedničkom zadatku.”

Tek početak

Buduće verzije robota mogle bi pohraniti složenije programe, kretati se brže, integrirati nove senzore ili raditi u zahtjevnijim okruženjima. U biti, trenutni dizajn je općenita platforma: njegov sustav propulzije besprijekorno radi s elektronikom, njegovi krugovi mogu se jeftino izrađivati u velikom broju, a njegov dizajn omogućuje dodavanje novih sposobnosti.

“Ovo je zaista samo prvo poglavlje,” kaže Miskin. “Pokazali smo da možete staviti mozak, senzor i motor u nešto što je gotovo premalo da bi se vidjelo, i da to može preživjeti i raditi mjesecima. Jednom kada imate taj temelj, možete dodati sve vrste inteligencije i funkcionalnosti. To otvara vrata potpuno novoj budućnosti robotike na mikroskopskoj razini.”