Jej efektem są mikroroboty, które poruszają się, nawigują i adaptują do otoczenia, mimo że nie posiadają mózgu, oprogramowania ani żadnej elektroniki. Te mikroskopijne struktury, dziesięciokrotnie cieńsze od ludzkiego włosa, udowadniają, że „inteligencja” może wynikać bezpośrednio z fizycznej budowy i elastyczności, a nie tylko z zer i jedynek. Najważniejsze jest jednak to, że takie miniaturowe urządzenia mogą być prawdziwym przełomem w medycynie precyzyjnej.
Ruch napędzany kształtem. Jak fizyka zastępuje procesor?
Za tym niezwykłym projektem stoją profesor Daniela Kraft oraz badacz Mengshi Wei. Ich zespół stworzył roboty o długości zaledwie kilkunastu mikrometrów, wykorzystując do tego celu ultraprecyzyjną mikrodrukarkę 3D. Każdy segment tej maszyny mierzy około 5 mikrometrów, a łączące je stawy są tak małe, że osiągają zaledwie 0,5 mikrometra. Konstrukcja przypomina elastyczny łańcuch, który pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego zaczyna żyć własnym życiem.
Kluczem do sukcesu jest tutaj rezygnacja z klasycznego sterowania. Zamiast upychać na tak małej przestrzeni miniaturowe układy scalone (co przy obecnej technologii jest niemal niemożliwe), naukowcy postawili na „sprzężenie zwrotne kształtu i ruchu”. Robot porusza się falowo, podobnie jak robak lub wąż. Kiedy napotyka przeszkodę, jego ciało wygina się pod wpływem oporu, co z kolei zmienia sposób, w jaki generowany jest napęd.
Odkryliśmy, że istnieje ciągłe sprzężenie zwrotne między kształtem a ruchem robota: kształt wpływa na to, jak się on porusza, a ruchy z kolei zmieniają jego kształt. Ten mikrorobot czuje zatem, jak środowisko zmienia jego ciało i reaguje na to, co sprawia, że wydaje się żywy. Oznacza to, że nie potrzebujemy mikroskopijnej elektroniki, aby zintegrować inteligentne zdolności – wyjaśnia prof. Daniela Kraft.
W praktyce wygląda to niesamowicie: gdy robot zostanie spowolniony lub zablokowany, zaczyna gwałtownie „machać ogonem”, jakby desperacko próbował się uwolnić. Wszystko to dzieje się bez ani jednej linijki kodu, wyłącznie dzięki mechanicznej odpowiedzi struktury na bodźce z otoczenia.
Inspiracją dla badaczy była sama natura
Zwierzęta o miękkich ciałach, takie jak wspomniane węże czy nicienie, potrafią prześlizgiwać się przez ciasne i skomplikowane przestrzenie właśnie dzięki ciągłej adaptacji swojej geometrii. Do tej pory robotyka mikroskopowa była podzielona na dwa obozy: urządzenia były albo małe i sztywne, albo duże i elastyczne. Zespół z Lejdy jako pierwszy zdołał połączyć te dwie cechy w skali mikro, osiągając prędkość poruszania się na poziomie około 7 mikrometrów na sekundę.
Dzięki swojej elastyczności, mikroroboty potrafią przemieszczać się przez „zatłoczone” środowiska (na przykład naczynia krwionośne czy gęste tkanki), omijać przeszkody, a nawet przepychać obiekty blokujące im drogę. Brak konieczności stosowania lokalnych oscylatorów czy systemów synchronizacji, które normalnie zużywają mnóstwo energii, sprawia, że te konstrukcje są niezwykle wydajne i proste w obsłudze na dużą skalę. Wyniki tych badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie PNAS, sugerują, że stoimy u progu rewolucji w celowanej dostawie leków oraz w mało inwazyjnych zabiegach chirurgicznych.
Źródło: PNAS
