Od Sci-Fi snu k realitě: Nejmenší myslící robot na světě
Čtyřicet let bylo považováno za neřešitelné, nyní vědci vytvořili kompletního robota, který je menší než zrnko soli – s úžasnými schopnostmi.
Vědci vyřešili technickou výzvu, která zaměstnávala vědu posledních 40 let, a postavili robota s integrovaným počítačem, senzory a motorem, jehož celková velikost je menší než 1 milimetr – tedy menší než zrnko soli. Tato úspěšná práce, kterou provedli vědci z University of Pennsylvania a University of Michigan, přibližuje medicínu k scénáři budoucnosti, ve kterém by mohly být drobné roboty posílány do lidského těla, aby spojily poškozené nervy, transportovaly léky na konkrétní místa a určovaly zdravotní stav buněk pacientů bez nutnosti operace.
„Je to první mikroskopický robot, který může cítit, myslet a jednat,“ řekl Marc Miskin, asistent profesora elektrotechniky a systémového inženýrství na University of Pennsylvania a autor článku, který byl tento týden publikován v odborném časopise Science Robotics.
Zařízení, které je považováno za nejmenšího robota na světě schopného samostatného rozhodování, je důležitým krokem k dosažení cíle, který byl kdysi zakořeněn ve sci-fi. V šedesátých letech představila historka a film „Fantastická plavba“ lékařský tým, který byl umístěn na palubu ponorky a zmenšen na velikost mikroorganismu. Mikroskopická lékařská posádka byla pak injikována do těla umírajícího muže, aby zničila neoperovatelné krevní sraženiny.
„V budoucnosti, říkneme za 100 let, bychom chtěli, aby všechno, co dnes dělá chirurg, dělali roboti,“ řekl David Gracias, profesor na katedře chemického a biomolekulárního inženýrství na Johns Hopkins University, který se na studii nepodílel. „Ještě nejsme tam.“
V roce 1989, dvě dekády po „Fantastické plavbě“, napsali Rodney A. Brooks a Anita M. Flynn, vědci z Massachusetts Institute of Technology, článek s názvem „Rychle, levně a mimo kontrolu: Robotí invaze do sluneční soustavy“, ve kterém popsali robota, kterého postavili, a který měl velikost pouhého 1¼ kubického palce a dostal jméno Squirt.
„Mikro robot je průkopníkem nové třídy zařízení“
Sawyer Fuller, mimořádný profesor strojírenství na University of Washington, uvedl, že když byl článek „Rychle, levně a mimo kontrolu“ publikován, „lidé si mysleli, že mikrorobotika se dostane na scénu každou chvíli… Ukázalo se, že trvalo déle, než bylo očekáváno, spojit všechny tyto věci dohromady.“ Fuller, který se na konstrukci nového mikrorobota nepodílel, jej označil za „průkopníka nové třídy zařízení“.
Miskin uvedl, že mikrorobot postavený týmy z Michiganu a Pensylvánie je asi 1/100 velikosti Squirtu z MIT, ale zatím není připraven na biomedicínské použití. „Nebyl bych překvapen, kdybychom za deset let měli skutečné aplikace pro tento typ robota,“ řekl David Blaauw, spoluautor článku v Science Robotics a profesor elektrotechniky a informatiky na University of Michigan.
Vědci již dlouhá desetiletí sní o vývoji mikrorobota, který by byl menší než 1 milimetr, což je limit, který odpovídá nejmenším jednotkám naší biologie, řekl Miskin. „Každý živý organismus je v zásadě obrovská sbírka robotů o velikosti 100 mikrometrů, a když o tom přemýšlíte, je to docela působivé, že příroda si zvolila tuto velikost jako tu, s níž chtěla organizovat život.“ Pro srovnání: lidský vlas má průměr přibližně 70 mikrometrů, zatímco lidské buňky mají velikost přibližně 20 až 40 mikrometrů.
Navzdory tomu, že vědci a inženýři pracovali na miniaturizaci obvodů po půl století, výzvou bylo zmenšit všechny části potřebné pro počítačem řízeného mikrorobota a poté je sestavit, aniž by došlo k poškození komponentů nebo vzájemným interferencím. Robot potřebuje zdroj energie s dostatečnými výkonovými parametry, aby mohl provozovat počítač a pohybovat robotem.
Před pěti lety se Miskin, jehož specializací je stavba mikrorobotů, setkal s Blaauwem, když oba během sebe navazujících prezentací přednášeli. Blaauws laboratoř měla tehdy – a má i dnes – čest mít k dispozici nejmenší počítač na světě. „Už během prezentací jsme měli myšlenku: ‚Oh, musíme o tom promluvit‘,“ vzpomíná Blaauw.
Minimální solární buňky převádějí světlo na energii
Zařízení, které vybudovali, používá miniaturní solární články převádějící světlo na energii. Část této energie napájí počítač, zatímco další část pohání robota, když se pohybuje tekutinou. Počítač funguje přibližně rychlostí jedné tisíciny současných laptopů a má mnohem méně úložného prostoru. V laboratoři vědci osvětlují sadu LED lampami misku s roztokem, ve které se robot nachází. Robot je vyroben ze stejných materiálů jako mikroprocesor: křemík, platina a titan.
Aby byl chráněn před účinky kapalin, je mikrorobot obklopen silnou skleněnou vrstvou, říká Miskin. Sklo má několik otvorů, které jsou vyplněny platinovým kovem a tvoří elektrody, jež umožňují elektrický přístup. Na Johns Hopkins University zdůraznil Gracias, že vědci musí zajistit, že materiály používané pro mikroroboty mohou být bezpečně aplikovány v lidském těle.
Senzory na robotu mu umožňují reagovat na různé teploty v tekutinách. Aby se pohyboval, zařízení využívá energii ze solárních článků k nabití dvou kovových elektrod na obou stranách. Elektrody přitahují opačně nabité částice ve vodě a vytvářejí tak proud, který robota pohání dopředu. Během plavby robot komunikuje s obsluhujícím uživatelským rozhraním. „Můžeme mu poslat zprávy přes laptop a říci mu, co má dělat,“ řekl Miskin, „a on nám může posílat zprávy zpět, aby nám řekl, co viděl a co udělal.“
Robot komunikuje pohyby, které připomínají tanec včelích svateb. V létě vědci pozvali skupinu studentů, aby otestovali nové mikroroboty. Studenti mohli sledovat pohyby robotů pomocí speciálního, cenově dostupného mikroskopu. „Byli nadšení,“ řekl Miskin. „Na začátku to byla jistě malá výzva zvyknout si na práci s něčím tak malým. Ale to je součástí kouzla. Jakmile pochopili, jak na to, všichni se do toho s nadšením pustili.“ Miskin uvedl, že verze robota, kterou studenti používali, stála pouze asi 10 dolarů.
Vědci nyní pracují na dalším vývoji mikrorobota, aby byl schopen fungovat ve slané vodě, na souši a v dalších prostředích. Dlouhodobým cílem, jak uvedl Blaauw, je vyvinout miniaturizované počítače, které nebudou pouze komunikovat se svými operátory. „Dalším velkým cílem je tedy, že budou moci komunikovat navzájem,“ dodal.
