Микроскопические роботы, которые чувствуют, думают и действуют
Публикация подготовлена по мотивам научной статьи журнала Science Robotics: Microscopic robots that sense, think, act, and compute , DOI: 10.1126/scirobotics.adu8009.
На протяжении десятилетий миниатюризация была одной из ключевых целей робототехники. Однако при переходе к микрометровым масштабам инженеры сталкивались с фундаментальной проблемой: чем меньше робот, тем сложнее разместить в нём вычисления, память, датчики и автономность.
В новой работе, опубликованной в Science Robotics, исследователи впервые продемонстрировали роботов размером с одноклеточный организм, которые способны чувствовать окружающую среду, принимать решения, выполнять программы и менять поведение автономно.
Почему микророботы — это сложно
На субмиллиметровых масштабах привычные инженерные подходы перестают работать. Физические законы, управляющие:
- электронными схемами,
- накоплением энергии,
- передачей питания,
- механическим движением,
масштабируются нелинейно. В результате уменьшение размеров быстро приводит к резкому росту потерь и энергетических ограничений.
Поэтому большинство микророботов прошлого либо:
- управлялись извне;
- не имели сенсоров;
- работали по жёстко заданным сценариям;
- не могли адаптироваться к среде.
Подход авторов
Авторы работы пошли другим путём: они перенесли полноценные вычисления прямо внутрь микроробота.
Роботы изготавливаются полностью литографически в стандартном 55-нм CMOS-процессе и включают:
- процессор;
- память;
- датчики температуры и электрического поля;
- актуаторы движения;
- фотовольтаические элементы питания;
- оптический канал связи.
Размер одного робота составляет порядка 200 × 300 × 50 микрометров, что сопоставимо с размерами одноклеточных организмов.
Встроенный компьютер на масштабе микрона
Одним из ключевых достижений стало создание настоящей вычислительной архитектуры в условиях крайне жёсткого энергобюджета — около 100 нановатт.
Для этого был разработан специализированный процессор с компактным набором команд, где одна инструкция может соответствовать целой последовательности действий:
- движение в течение заданного времени;
- измерение параметров среды;
- передача данных;
- условные переходы и циклы.
Это позволило выполнять полезные алгоритмы, используя всего несколько сотен бит памяти.
Питание и программирование светом
Роботы получают энергию от внешнего освещения через встроенные фотовольтаические элементы.
Тем же светом осуществляется и программирование:
- светодиод передаёт закодированную последовательность импульсов;
- робот принимает её оптическим приёмником;
- программа записывается во внутреннюю память;
- после этого робот работает полностью автономно.
Для защиты от случайного света используется система парольных последовательностей, без которых робот игнорирует входящий сигнал.
Как микророботы двигаются
Движение осуществляется за счёт электрокинетической тяги в жидкости.
При подаче напряжения на микроскопические электроды ионы в окружающей среде начинают двигаться, увлекая за собой жидкость. Возникающий поток толкает робота вперёд.
Такой способ движения:
- не требует движущихся механических частей;
- работает при очень низких токах;
- хорошо совместим с микроэлектроникой;
- масштабируется при массовом производстве.
Почему это важно
Впервые показано, что полноценный автономный робот может существовать на микроскопическом уровне, без внешнего управления и без жёстко заданных сценариев.
Это открывает путь к:
- роям микророботов;
- исследованию сложных сред;
- медицинским и биоинженерным применениям;
- новым типам распределённых вычислений.
Связь с ИИ и будущими технологиями
Хотя каждый микроробот чрезвычайно прост, в совокупности такие системы могут стать физическим аналогом распределённого интеллекта.
В будущем:
- алгоритмы ИИ смогут обучать поведение микророботов;
- рои будут адаптироваться к неизвестной среде;
- граница между вычислениями и физическим миром станет размытой.
Работа в Science Robotics показывает, что «мыслящие машины» могут существовать даже там, где их невозможно увидеть невооружённым глазом.
Комментариев нет:
Отправить комментарий