Ο σχεδιασμός ενός σμήνος πλήρως αυτόνομων ρομπότ μεγέθους υποχιλιοστών ακούγεται σαν μια δαπανηρή, αν όχι αδύνατη εργασία. Ωστόσο, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν όχι μόνο κατασκεύασε μια νέα γενιά μηχανών που έσπασαν ρεκόρ, με ηλιακή ενέργεια. Κάθε ρομπότ κοστίζει μόνο μια δεκάρα για την κατασκευή. Τα ρομπότ θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην πρόοδο των πάντων, από την κατασκευή νανοτεχνολογίας έως την ιατρική έρευνα. Και σύμφωνα με τον μηχανικό του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, Marc Miskin, η σημαντική ανακάλυψη της ομάδας τους τερματίζει επίσης ένα μεγάλο αίνιγμα ρομποτικής δεκαετιών.
«Η κατασκευή ρομπότ που λειτουργούν ανεξάρτητα σε μεγέθη κάτω του ενός χιλιοστού είναι απίστευτα δύσκολη», είπε σε μια προφίλ του πανεπιστημίου. «Το πεδίο ουσιαστικά έχει κολλήσει σε αυτό το πρόβλημα εδώ και 40 χρόνια».
Η επιφάνεια είναι μια αντίσταση
Όπως αναφέρουν πρόσφατα ο Miskin και οι συνεργάτες του στα περιοδικά Επιστήμη Ρομποτικής και Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS), το κύριο πρόβλημα με την κατασκευή ενός πλήρως αυτόνομου ρομπότ αυτού του μεγέθους είναι θέμα φυσικής. Μεγάλα αντικείμενα -συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων- κινούνται σε έναν κόσμο που σε μεγάλο βαθμό υπαγορεύεται από τις δυνάμεις της αδράνειας και της βαρύτητας. Όσο μικρότερο γίνεται κάτι, τόσο περισσότερο επηρεάζεται από παράγοντες επιφάνειας όπως το ιξώδες και η οπισθέλκουσα.
«Αν είσαι αρκετά μικρός, το να πιέζεις το νερό είναι σαν να σπρώχνεις μέσα από πίσσα», εξήγησε ο Miskin.
Αυτό σημαίνει ότι ενώ τα σχέδια ατμομηχανών όπως τα χέρια και τα πόδια λειτουργούν καλά για τη βαρύτητα και την αδράνεια, τα εξαρτήματα που μοιάζουν με άκρα γίνονται πολύ ευαίσθητα σε μικροκλίμακα. Η επίλυση αυτού του ζητήματος απαιτούσε από τους ερευνητές να προσεγγίσουν την κίνηση από οποιαδήποτε εντελώς διαφορετική οπτική γωνία, που λειτουργεί σε ηλεκτρικό επίπεδο.
Κάθε ρομπότ έχει διαστάσεις περίπου 200 επί 300 επί 50 μικρόμετρα, ή μικρότερο από έναν κόκκο αλατιού. Ακόμη και σε αυτό το μέγεθος, τα μηχανήματα είναι ικανά να μετατρέπουν την ενέργεια από μικροσκοπικά ηλιακά πάνελ σε ηλεκτρικό πεδίο όταν τοποθετούνται σε διάλυμα. Ο ηλεκτρισμός ωθεί τα κοντινά ιόντα, τα οποία στη συνέχεια σπρώχνουν τα γύρω μόρια νερού για να προωθήσουν το ρομπότ. Τα μηχανήματα επίσης δεν κινούνται μόνο προς τα εμπρός και προς τα πίσω. Προσαρμόζοντας το ηλεκτρικό πεδίο, κάθε ρομπότ μπορεί να κινείται μόνο του ή σε πολύπλοκα μοτίβα μαζί σαν ένα κοπάδι ψαριών.
«Είναι σαν το ρομπότ να βρίσκεται σε ένα κινούμενο ποτάμι, αλλά το ρομπότ προκαλεί επίσης την κίνηση του ποταμού», είπε ο Miskin.
Επίσης, τα μηχανήματα δεν διαθέτουν κινούμενα εξαρτήματα και βασίζονται εξ ολοκλήρου σε ηλεκτρονικά σήματα. Αυτό τους κάνει πολύ πιο ανθεκτικούς από τους μεγαλύτερους, πιο σύνθετους ρομποτικούς συγγενείς τους. Με τις επαναφορτίσεις που παρέχονται από ένα LED, τα ρομπότ μπορούν να κολυμπήσουν για μήνες κάθε φορά. Αλλά ακόμη και η προσιτή τιμή και η εφευρετικότητα φτάνουν τόσο μακριά μόνο εάν ένα μηχάνημα είναι άχρηστο. Τα ρομπότ μικροκλίμακας χρειάζονται για να ολοκληρώσουν εργασίες και αυτό απαιτεί προγραμματισμό. Για άλλη μια φορά, η ομάδα του Miskin έπρεπε να αντιμετωπίσει το θέμα του μεγέθους.
Δοκιμή κίνησης και στροφής Microrobot
Ισχύς 75 νανοβάτ
Η μικρογραφία του υπολογιστή έχει να κάνει με το διάστημα. Όσο μικρότερος είναι ο υπολογιστής, τόσο μικρότερη είναι η διαθέσιμη περιοχή για πηγές ενέργειας, μνήμη και κυκλώματα. Όπως ήταν αναμενόμενο, αυτό δημιούργησε πρόβλημα για τους σχεδιαστές.
«Η βασική πρόκληση για τα ηλεκτρονικά είναι ότι τα ηλιακά πάνελ είναι μικροσκοπικά και παράγουν μόνο 75 νανοβάτ ενέργειας», πρόσθεσε ο μηχανικός του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, David Blaauw. «Αυτή είναι πάνω από 100.000 φορές λιγότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει ένα έξυπνο ρολόι».
Η λύση απαιτούσε εντελώς νέα σχέδια κυκλωμάτων που λειτουργούν σε χαμηλές τάσεις, μειώνοντας έτσι τις ανάγκες ισχύος του ρομπότ κατά πάνω από 1.000 φορές την αρχική απαίτησή του. Με τα ηλιακά πάνελ να καταλαμβάνουν την πλειονότητα των διαθέσιμων ρομποτικών ακινήτων, οι Miskin και Blaauw έπρεπε στη συνέχεια να καταλάβουν πώς να χωρέσουν σε έναν επεξεργαστή και μια μνήμη.
«Έπρεπε να ξανασκεφτούμε πλήρως τις οδηγίες του προγράμματος υπολογιστή, συμπυκνώνοντας αυτό που συμβατικά θα απαιτούσε πολλές οδηγίες για τον έλεγχο της πρόωσης σε ένα ενιαίο, ειδικό [programming] οδηγίες», είπε ο Blaauw.
Ρομπότ που κουνά χορεύει
Οι τρέχουσες επαναλήψεις των ρομπότ μικροκλίμακας διαθέτουν αισθητήρες που τους επιτρέπουν να ανιχνεύουν τη θερμοκρασία με ακρίβεια ενός τρίτου βαθμού Κελσίου. Αυτό υποθετικά θα επέτρεπε σε ένα σμήνος να ταξιδέψει μέσω ενός διαλύματος προς περιοχές με υψηλότερη θερμοκρασία -συχνά ένας δείκτης κυτταρικής δραστηριότητας- και να αναφέρει την υγεία των μεμονωμένων κυττάρων. Αλλά θυμηθείτε το πρόβλημα του μεγέθους: για να ενημερώσει τους σχεδιαστές του για τα αποτελέσματα της έρευνας, η μέθοδος επικοινωνίας του πρέπει να είναι αρκετά απλή ώστε να κωδικοποιείται σε έναν κόκκο άμμου. Ευτυχώς, η φύση παρείχε τη δική της εξελικτική έμπνευση.
«Είναι πολύ παρόμοιο με το πώς οι μέλισσες επικοινωνούν μεταξύ τους», είπε ο Blaauw. “Για να αναφέρουμε τις μετρήσεις της θερμοκρασίας τους, σχεδιάσαμε μια ειδική οδηγία υπολογιστή που κωδικοποιεί μια τιμή, όπως τη μετρούμενη θερμοκρασία, στα κουνήματα ενός μικρού χορού που εκτελεί το ρομπότ. Στη συνέχεια, κοιτάμε αυτόν τον χορό μέσα από ένα μικροσκόπιο με μια κάμερα και αποκωδικοποιούμε από τα κουνήματα τι μας λένε τα ρομπότ.”
Όσο εντυπωσιακά κι αν είναι ήδη τα mini-bots, οι Miskin και Blaauw ελπίζουν ότι είναι μόνο η αρχή ενός εντελώς νέου πεδίου δυνατοτήτων. Οι συνεχείς βελτιώσεις και οι πειραματισμοί θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ταχύτερα, πιο πολύπλοκα ρομπότ που θα εγκατασταθούν με πρόσθετους αισθητήρες που τους επιτρέπουν να ελίσσονται σε όλο και πιο δύσκολα περιβάλλοντα.
«Έχουμε δείξει ότι μπορείτε να βάλετε έναν εγκέφαλο, έναν αισθητήρα και έναν κινητήρα σε κάτι σχεδόν πολύ μικρό για να το δείτε και να το επιβιώσετε και να λειτουργήσει για μήνες», είπε ο Miskin. «Μόλις έχετε αυτό το θεμέλιο, μπορείτε να στρώσετε σε όλα τα είδη νοημοσύνης και λειτουργικότητας».
2025 PopSci Outdoor Gift Guide
VIA: popsci.com
