Nejmenší programovatelný autonomní robot na světě stojí pouze jeden americký cent
Vědecký tým z University of Pennsylvania a University of Michigan vyvinul nejmenší, plně programovatelný autonomní robot na světě. Robot měří pouze 200 µm x 300 µm x 50 µm, avšak dokáže samostatně vnímat svoje okolí a reagovat na něj. Napájí ho miniaturní solární články a je vybaven iontovým motorem pro plavání.
Vědci obou univerzit do tohoto malého robota vložili množství technologie, jak uvádí ve studii „Mikroskopické roboty, které vnímají, myslí, jednají a počítají“. Srdcem robota je počítač, který vyvinul David Blaauw, profesor na University of Michigan. Drží zde rekord za nejmenší počítač na světě. Marc Miskin, asistent profesora na University of Pennsylvania a vedoucí projektu mikrorobotů, se s Blaauwem poprvé potkal před pěti lety na akci Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) a poznamenal, že Blaauwův malý počítač je ideální pro mikrorobota.
Integrace mikroprocesoru a robota byla výzvou, zejména co se týče napájení, které mělo robotovi zajistit autonomii. Vědci použili solární články, které produkují pouze 75 nanowattů energie, což je více než 100 000krát méně než to, co potřebuje chytré hodinky. To vyžadovalo přepracovat obvody stávajícího mikroprocesoru, aby mohl fungovat s extrémně nízkými napětími. Týmu se podařilo snížit spotřebu energie počítače tisíckrát.
Solární články zabírají většinu prostoru robota, což zanechalo málo místa pro procesor a paměť, které tedy nemohly být libovolně zvětšeny. Vědci museli komprimovat programování počítače, aby se program vešel do dostupného omezeného prostoru. „Museli jsme zcela přepracovat pokyny programu tak, abychom z toho, co by obvykle vyžadovalo mnoho pokynů pro řízení pohonu, udělali jediný speciální pokyn, a tím tak zkrátili délku programu na velikost, která se vešla do malého prostoru robota,“ říká Blaauw.
Programování a přenos programu do počítače probíhá pomocí světelných impulzů. Každý robot má svou individuální adresu, pod kterou probíhá programování a přenos. Roboty tak mohou být naprogramovány na různé úkoly, aby společně dosáhly společného cíle.
Součástí elektroniky robota jsou také teplotní senzory, které dokážou měřit okolní teplotu s přesností na třetinu stupně. Robot tak dokáže rozpoznat a hlásit teploty a pohybovat se směrem k rostoucím teplotám nebo se od nich vzdálit. Tímto způsobem je možné například měřit teplotu buněk, která slouží jako ukazatel zdraví buněk. Stav jednotlivých buněk lze takto monitorovat.
Naměřenou teplotu robot „tancuje“. Pomocí pokynu se u robota aktivují pohyby, ve kterých je teplota kódována. Vědci ji pak dešifrují pomocí mikroskopu. Tento způsob komunikace připomíná včely, které předávají informace svým družkám pomocí tanečních pohybů.
Aby mohl robot vůbec v kapalině pohybovat, museli vědci vyvinout speciální koncept pohonu, protože takovýto robot je vzhledem k jeho velikosti vystaven silám závislým na objemu, jako je gravitace a setrvačnost. U robotů o velikosti mikrometrů přebírají kontrolu síly, které souvisejí s povrchem, jako je odpor a viskozita. Proto je pohyb ve vodě podobný pohybu v dehtu, jak uvádí Miskin. Vědci se rozhodli opustit mechanické pohony, které by bylo obtížné zmenšovat, protože by se také mohly snadno poškodit.
Místo toho se vědci zaměřili na iontový motor, který úplně postrádá mechanické součásti. Namísto toho vytváří elektrické pole, které uvolňuje ionty do okolní kapaliny, tlačí na blízké molekuly kapaliny a uvede tak kapalinu kolem robota do pohybu. „Je to jako by robot byl v proudící řece,“ říká Miskin, „ale robot také způsobuje, že se řeka pohybuje.“ Tento efekt může být přizpůsoben změnami elektrického pole. Robot se může pohybovat ve složitých vzorech rychlostí až jedna délka těla za sekundu. Pohon je také velmi robustní, protože funguje bez mechaniky. Takto vybavení mikroroboti mohou být například zachyceni pomocí mikropipety a přeneseni z jedné biologické vzorky do druhé, aniž by došlo k poškození robota.
Robot může v kapalině fungovat po dobu několika měsíců, pokud shromažďuje světlo pomocí solárních článků. Osvětlení LED zajišťuje potřebnou energii. Robot není řízen zvenčí pomocí magnetických polí, světla nebo rádiových signálů. Malý počítač, iontový motor a solární články mu umožňují být zcela autonomní. Vědci na vývoji autonomního mikrorobota pracovali celkem pět let.
Náklady na výrobu robota činí jediný americký cent. „To je opravdu jen první kapitola,“ říká Miskin. „Ukázali jsme, že je možné vložit mozek, senzor a motor do něčeho tak malého, že to není vidět, a že to může měsíc přežít a fungovat. Jakmile máme tuto základnu, můžeme přidávat všechny druhy inteligence a funkčnosti. To otevírá dveře k zcela nové budoucnosti pro robotiku na mikroúrovni.“
Budoucí mikroroboti by mohli být ještě výkonější, realizovat složitější programy, obsahovat nové senzory a pohybovat se rychleji, aby mohli navigovat v složitějších prostředích, říkají vědci. Dosavadní platforma ukazuje, že to je možné také za nízké náklady: aktuální robot lze vyrobit za jediný americký cent.
