Когда-нибудь очень маленькие роботы смогут делать все, от помощи хирургам в операциях с пациентами до обеспечения бесперебойной работы заводов. Но разработка машин, которые едва ли можно увидеть невооруженным глазом, оказалась чрезвычайно сложной задачей.
Вот почему это большая новость — группа исследователей черпала вдохновение в полупроводниковой промышленности для разработки нового типа микроробота. Инновационная конструкция позволяет оператору использовать четко сфокусированный луч видимого света для управления ботом. Свет заставляет материалы внутри и вокруг расширяться. Отключение света вызывает сокращение. Это простое средство управления может заставить этих крошечных роботов — менее миллиметра в диаметре — ходить, ползать и бегать по поверхности.
Технология впервые представлена в среду в статье, опубликованной в рецензируемом журнале Science Robotics .
Interesting Engineering пообщался с соавтором Джоном Роджерсом. Инженер-робототехник является профессором материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и нейрохирургии в Северо-Западном университете, получателем «гениального гранта» Макартура и членом Национальной академии наук и Национальной инженерной академии. Он объяснил, как новое изобретение работает и почему создание крошечных роботов требует преодоления больших проблем.
Это интервью было отредактировано для увеличения длины и ясности.
IE: каково сегодня состояние микроробототехники?
Джон Роджерс: В различных академических и начинающих лабораториях наблюдается растущий исследовательский интерес к очень маленьким роботам, которыми можно управлять дистанционно. Одним из долгосрочных направлений исследований в этой области является уход за пациентами, например, современные хирургические или диагностические инструменты, которые можно использовать минимально инвазивным способом. Вы также можете представить различные промышленные приложения, такие как небольшие машины для сборки, ремонта и обслуживания труднодоступных конструкций.
IE : Как ваша группа продвигает технологии в плане создания самих роботов?
Д.Р.: Я руковожу группой, специализирующейся в области материаловедения и микропроизводства. У нас есть все виды уникальных возможностей для осаждения и создания рисунка на тонких пленках материалов, во многом так же, как компании в электронной промышленности создают микросхемы интегральных схем. Мы объединяем эти очень сложные, хорошо зарекомендовавшие себя методы со схемой, которая концептуально похожа на детскую книжку-раскладушку. Это позволяет нам геометрически преобразовывать плоские структуры в сложные трехмерные архитектуры. Это то, что мы используем для определения тел, скелетных структур и мышц робота.
IE : Как работает производство pop-up?
Дж. Р.: Мы начинаем с этих методов в стиле интегральных схем для формирования тонких многослойных пленок материалов, которые затем мы моделируем в плоские двумерные геометрические формы. Затем мы удаляем эти узорчатые тонкопленочные структуры с основной подложки и переносим их физически на растянутый кусок резины.
Затем мы прикрепляем эти плоские тонкопленочные структуры к этому растянутому куску резины, так что, когда мы ослабляем растяжение, он сжимается в плоскую структуру. Это приводит к тому, что плоская двухмерная структура изгибается и принимает сложную трехмерную геометрию. Мы задаем точную трехмерную форму, формируя двухмерную структуру-предшественник и растягивая эту резиновую подложку определенным образом. Используя этот метод, мы можем создавать роботов, которые выглядят точно так же, как крабы, дюймовые черви или сверчки — разные вещи. Эта стратегия создания трехмерных структур уникальна для нашей группы.
ИЭ : А передвижение? Как двигаются эти роботы?
Мы смогли придумать схему, которая, я думаю, уникальна. В ней используется класс материалов, известный как сплав с памятью формы, который представляет собой особый металлический сплав, уникальной определяющей характеристикой которого является способность изменять фазу при нагревании. Это позволяет преобразовать деформированную конфигурацию в заранее заданную форму.
Этот механизм служит мышцами нашего робота, стратегически расположенными в суставах его ног. Эффект памяти формы поддерживается очень тонким слоем стекла, которое мы наносим на этих роботов в качестве скелета. Именно баланс этой упругой восстанавливающей силы с эффектом памяти позволяет нам двигать ногами вперед и назад и устанавливать параметры походки, прыгающее движения или что-то вроде способа передвижения типа того, как передвигается червь.
IE: Как вы можете дистанционно управлять этим механизмом?
ДжР: Это дистанционное управление в том смысле, что мы заставляем робота двигаться в запрограммированных направлениях и с запрограммированной скоростью без какого-либо прямого физического контакта. Это не дистанционное управление в том смысле, в котором работает автомобиль с дистанционным управлением. Мы воздействуем на управление видимым светом, а не радиочастотными волнами.
Мы используем источник света, чтобы освещать эти роботизированные структуры в разных местах их тела в заданной по времени программной последовательности. Когда свет попадает на эти сплавы с памятью формы, часть его поглощается. Это вызывает небольшой нагрев, который заставляет соответствующую часть робота физически двигаться. При выключении света сустав быстро остывает. По мере охлаждения скелетная структура эластично восстанавливает конечность в исходное положение и геометрию.
Если вы делаете это снова и снова, вы можете заставить ногу двигаться вперед и назад, и вы можете двигать левые ноги или правые ноги, например, и тогда это вызывает движение слева направо. То, как мы сканируем свет по телу робота, определяет направление и скорость его движения.
IE : Как управляются эти роботы, когда они находятся в замкнутом пространстве?
Дж. Р.: Эти роботы не будут применимы к каждому сценарию использования. Будут обстоятельства, когда этот механизм просто не будет работать. Я бы не хотел утверждать обратное. Но, знаете, если вы находитесь в замкнутом пространстве, вы можете представить себе схему доставки света по оптоволоконному кабелю, и могут быть разные способы. У вас должен быть оптический доступ — либо прямой доступ на линии прямой видимости, либо что-то, что можно решить с помощью волновода. Я не хочу заявлять ничего, что превзошло бы то, чего мы смогли достичь. Я думаю, что это то, что не делалось раньше, но это не решение без ограничений.
IE : Каковы были некоторые из самых больших проблем с точки зрения разработки?
Дж. Р.: Простое представление об этом методе приведения в действие требовало некоторого понимания и некоторого творческого мышления. Оптимизация того, как мы создаем трехмерные структуры, связана с рядом различных проблем. Одни из них заключались в том, чтобы выяснить, как заставить эти ноги отталкиваться от твердой поверхности таким образом, чтобы робот не просто раскачивался вперед и назад. Нам пришлось создать структуру и добавить когти к ногам, чтобы они могли отталкиваться в одном направлении.
Это может показаться тонкой вещью, но если вы не сделаете это должным образом, то вы активируете краба,, а он просто будет покачиваться взад-вперед. Размышление о природе сил и взаимодействии между ногами роботов и твердыми поверхностями, на которых они сидят, требовало особого внимания.
IE : С какими силами вам приходится сталкиваться, имея дело с этими чрезвычайно маленькими роботами?
JR: По мере того, как объекты становятся все меньше и меньше, они становятся все более и более липкими. Например, если у вас на столе лежит действительно крошечная частица пыли, вы можете очень сильно дунуть на нее, и она не сдвинется с места, потому что она застряла там из-за сил Ван-дер-Ваальса. Это обобщенные силы сцепления, которые существуют между любыми двумя твердыми объектами, почти не зависящие от химии.
Поскольку наземные роботы становятся все меньше и меньше, вам действительно нужно думать о липких ногах. Вам нужны действительно сильные механические приводы. Это следствие физики, с которым вам просто нужно жить. Но тот факт, что мир насекомых, кажется, довольно эффективно ориентируется в этих масштабах, является доказательством концепции, что это должно быть возможно, но это то, с чем вы должны бороться как инженер-робототехник.
IE : Как вы решили проблему «липких ног» с этими роботами?
JR: Это вопрос инженерии ног. Эти структуры когтей управляют передвижением, а также управляют эффектом прилипания. Тела роботов, о которых мы здесь говорим, имеют диаметр от полумиллиметра до человеческого волоса. Эффекты прилипания не являются подавляющими в этом масштабе. Но если вы уменьшите размер еще в 10 раз, то речь пойдет о довольно сложной ситуации, когда наши текущие подходы могут не быть решением. Возможно, нам нужна новая идея для них.
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com