Источник: fotocdn.net

Маленький и еще меньше: микро- и нанороботы будут работать хирургами и очищать океаны от загрязнений

Время, когда людей впечатляли большие роботы типа бегающих танков или механических ассистентов, прошло. Роботы, которые передвигают атомы, как конструктор LEGO, захватывают муравьев, детектируют молекулы газа или доставляют лекарства в организм, — вот то, что сейчас вызывает восторг и удивление. Но насколько они эффективны и востребованы? В чем сложности их создания? Об этом — в нашем обзоре.

Ученые по всему миру работают над созданием все более совершенных микро- и наноразмерных роботов и средств их автоматизации. Наиболее перспективная область их применения — это, конечно же, медицина и биотехнологии. Например, специалисты Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе разработали микророботов, которые будут заниматься прицельной доставкой лекарств в организм человека. Это важно, чтобы минимизировать общий токсикоз при медикаментозном лечении. Кроме того, маленькие роботы смогут выполнять функции хирургов прямо внутри нас.

Этот робот напечатан из биополимеров и наночастиц с помощью 3D-принтера. Управление им в организме происходит с помощью электромагнитного поля, тепла или лазера. У робота есть жгутики, которыми можно проводить хирургические операции. В планах ученых использовать разработку также для внешнего воздействия на клетки, чтобы заставить их работать определенным образом. Это можно будет делать с помощью световых импульсов, которые, очевидно, будут перемещать электроны или другие частицы. Звучит фантастично. Но сами ученые отмечают, что есть еще много факторов, которые им необходимо учесть для уверенной работы таких нанороботов.

Минироботы могут использоваться и в других областях. В Гарварде сделали «мягкого» робота, который получил название октобот. Самая большая сложность заключалась в том, как заставить робота без жесткого каркаса двигаться. В итоге исследователи использовали пневматическую модель. Химическая реакция внутри робота преобразует маленькое количество перекиси водорода в большое количество газа, который переходит в «щупальца» октобота, заставляя его двигаться. Направление «вброса» газа определяет система, спроектированная с помощью методов микрофлюидики — науки, которая описывает поведение микроскопических объемов жидкости. Американские ученые отметили, что октобот спровоцирует развитие других материаловедческих наук, так как может с успехом применяться в продвинутом производстве при определенной модификации.

«Мягкий» робот Octobot. Источник: sciencemag.org
«Мягкий» робот Octobot. Источник: sciencemag.org

В Колумбийском университете разрабатывают другие методики передвижения роботов с помощью гибких и нетоксичных источников энергии. Ученые долгое время исследовали механические свойства гидрогелей и обнаружили, что с помощью вещества можно не только управлять движением роботов, но и контролировать свойства различных биоматериалов, которые робот переносит.

Если говорить об энергии, то уже изобретены батарейки, которые можно глотать. В Университете Карнеги-Меллон команда ученых разработала батарейку, которая использует в качестве катода пигмент меланин, в качестве электрода — оксид марганца. Также в устройстве могут использоваться медь и железо. Такие батарейки могут обеспечивать мощность в пять миливатт в течение 18 часов. Этого достаточно, чтобы различные миниустройства с миникамерами смогли пройти по желудочно-кишечному тракту и не застрять там. Например, в Гарварде создали робота-диагноста в «мясной капсуле», который благодаря съедобным батарейкам сможет работать дольше времени. Кроме того, сами такие батарейки смогут стать переносчиками лекарств.

Университет ИТМО. Дмитрий Куприянов
Университет ИТМО. Дмитрий Куприянов

«Обеспечение энергией — это самая большая проблема, которая возникает при разработке и больших, и маленьких роботов. Это фактор, который сдерживает их развитие. В широком доступе пока нет ничего лучше стандартных литий-ионных батарей, в которых есть тяжелый электролит и много других минусов. Кроме того, как известно, они небезопасны и имеют тенденцию взрываться. Люди, которые пытаются разрабатывать альтернативы, пользуются двигателями внутреннего сгорания, если нет иной возможности. Что касается получения энергии с помощью биотехнологий — теоретически, это возможно, но это более актуально для микророботов», — прокомментировал старший преподаватель кафедры мехатроники Дмитрий Куприянов.

Зачастую сама природа направляет инженерную мысль ученых. Например, в Университете штата Айова разработали микроробота, который может захватывать маленькие объекты с помощью спирального жгута. Такой метод используется в природе животными и растениями. Роботы же традиционно используют для захвата, как и люди, два «пальца». Однако спиральный захват позволяет брать предметы без риска повредить их. Для этого микротрубки длиной всего восемь миллиметров изготавливают из очень эластичных и вязких полимеров — эластомеров. Стенки трубки имеют разную толщину. В результате накачивания в них воздуха они скручиваются в определенном направлении. Эти микророботы могут использоваться как в производстве, так и в медицине.

Также ученые уже давно пытаются разрабатывать роботов, которые подражают естественным движениям живых организмов. Однако ранее роботы создавались по подобию позвоночных, а теперь ученые делают роботов, которые передвигаются наподобие гусениц и червей, то есть «мягкотелых» животных. Разработчики из Университета Варшавы и Кэмбриджа сконструировали роботизированную гусеницу из мягкого эластомера. Она может подниматься по склонам, проникать в щели и толкать перед собой объекты, превышающие ее массу в десять раз. Применения такого робота очевидны.

Роботизированная гусеница. Источник: fuw.edu.pl
Роботизированная гусеница. Источник: fuw.edu.pl

А группа ученых из Центра передовой науки и технологий Токийского университета сконструировала чувствительного к запаху робота, способного двигаться в направлении источника запаха, при этом управляет роботом бабочка тутового шелкопряда. Почувствовав определенные запахи, бабочка начинает двигаться к ним. Но она сидит на подвижном шаре, который под действием ее лапок начинает двигаться. Сенсоры улавливают движение шара и передают соответствующее направление роботу. Эксперименты показали 100% нахождение роботом источника запаха. И пускай пока этот робот не микроразмерный, а просто маленький, но в будущем технология может быть перспективной с точки зрения использования способностей животных в хозяйственной деятельности человека и детектировании тех или иных веществ.

«Использование микро- и нанороботов также может быть востребовано в обработке поверхностей, когда имеются маленькие площади, которым нужно придать определенные свойства. Для больших площадей лучше подходят, конечно, классические методики. Также микророботов можно использовать для анализа жидкостей или газов», — сказал Дмитрий Куприянов.

Источник: naked-science.ru
Источник: naked-science.ru

Кроме того, ученые возлагают на микророботов большие надежды в области хранения и передачи информации, даже в области экологии. Во-первых, такие роботы требуют меньше энергии, и ожидается, что они смогут выполнять свои задачи с такой же эффективностью, как и «большие». Во-вторых, нанороботов можно будет использовать для очистки океанов, почв и других составляющих нашей планеты от вредных химических соединений. А возможно, как это показано в последней серии сериала «Черное зеркало», они будут выполнять функции вымерших маленьких животных по типу пчел, чтобы не дать человечеству погибнуть.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба