Badacze od lat próbują rozwiązać jeden z kluczowych problemów mikrorobotyki: jak kontrolować urządzenia o rozmiarach mniejszych niż ziarnko piasku? W tak małej skali trudno umieścić elektronikę, baterie czy procesory, które pozwoliłyby robotom analizować otoczenie i podejmować decyzje. Zamiast tego naukowcy często stosują zewnętrzne systemy sterowania, na przykład pola magnetyczne lub laserowe, które prowadzą roboty w określonym kierunku. Takie podejście bywa jednak skomplikowane i wymaga ciągłego nadzoru nad każdym urządzeniem.
Czytaj też: PHP, czyli parkour dla robotów. Jak humanoidy uczą się skakać przez przeszkody
Zespół badawczy z Uniwersytetu Pensylwanii zaproponował inne rozwiązanie. Zamiast sterować robotami bezpośrednio, jego członkowie postanowili zakodować wskazówki dotyczące ruchu w samym środowisku, w którym się poruszają. W tym celu wykorzystali wzory matematyczne znane z ogólnej teorii względności. W jej ramach ruch światła w zakrzywionej czasoprzestrzeni opisuje się za pomocą tzw. geodezyjnych, czyli najkrótszych możliwych trajektorii w danej geometrii. Okazało się, iż równania opisujące ruch niektórych mikrorobotów mają identyczną strukturę matematyczną jak równania opisujące drogę światła w polu grawitacyjnym.
Badacze wykorzystali to podobieństwo, tworząc koncepcję tzw. sztucznej czasoprzestrzeni. W praktyce polega ona na generowaniu wzorów światła o różnej intensywności na powierzchni, po której poruszają się roboty. Natężenie światła wpływa na prędkość i kierunek ich ruchu, ponieważ mikroroboty posiadają niewielkie ogniwa fotowoltaiczne sterujące dwoma mikrosilnikami elektrokinetycznymi. W jaśniejszych obszarach roboty przyspieszają lub zmieniają kierunek, a w ciemniejszych zwalniają lub są przyciągane, co tworzy coś w rodzaju optycznego pola grawitacyjnego.
Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu wzorów światła naukowcy mogą sprawić, że roboty będą podążać po określonych trajektoriach, na przykład przechodzić przez labirynt lub unikać przeszkód. W symulacjach i eksperymentach mikroroboty skutecznie odnajdywały drogę do celu, nawet gdy startowały z różnych punktów i pod różnymi kątami. Co ważne, cały proces odbywał się bez jakiejkolwiek inteligencji wbudowanej w same maszyny.
Objęte eksperymentami roboty mają około 100 mikrometrów szerokości, czyli mniej więcej tyle co grubość ludzkiego włosa. Poruszają się w roztworze jonowym, gdzie generowane przez nie pola elektryczne powodują przepływ płynu wokół ich powierzchni, co napędza ruch. Ich prędkość zależy bezpośrednio od ilości światła padającego na miniaturowe panele fotowoltaiczne.
Czytaj też: Nowa e-skóra dla robotów rewolucjonizuje dotyk. Inspiracją było ludzkie oko
Autorzy badań podkreślają, że taka metoda sterowania może znacznie uprościć projektowanie mikrorobotów. Zamiast wyposażać każdą maszynę w skomplikowaną elektronikę, wystarczy odpowiednio zaprojektować środowisko, w którym roboty będą się poruszać. Matematyczne narzędzia wywodzące się z fizyki – w tym z teorii względności i optyki – pozwalają przewidywać trajektorie robotów i planować ich zachowanie jeszcze przed przeprowadzeniem eksperymentu. W przyszłości technologia ta może znaleźć zastosowanie w medycynie oraz mikroskopijnej produkcji. Badacze wskazują między innymi na możliwość wykorzystania mikrorobotów do precyzyjnego dostarczania leków w organizmie, inspekcji trudno dostępnych miejsc, takich jak kanały zębów, czy do wykonywania operacji na poziomie pojedynczych komórek. Potencjalnie mogłyby również brać udział w procesach mikroprodukcji lub oczyszczania środowiska.
Źródło: npj robotics
