Digitális aggyal szerelt, egy szem sónál is kisebb robotokat alkottak

Olyan mikroszkopikus, fényevő egységeket fejlesztettek ki, amelyek képesek elemi döntéshozatalra, önálló mozgásra, és élettartamuk a több hónapot is eléri.

Egy szem sónál kisebb, autonóm robot. Képünk illusztráció Forrás: Nano Banana Pro

A Pennsylvaniai Egyetem és a Michigani Egyetem kutatói megépítették a valaha létrehozott legkisebb, teljesen programozható autonóm robotokat. Az még rendjén lenne, hogy képesek folyadékban úszni, érzékelni a környezetüket, önállóan reagálni és hónapokig működni, de ráadásul – nem elírás! – darabonként mindössze egy amerikai centbe, vagyis egy pennybe kerül az előállításuk.

Egy mikrorobot integrált szenzorokkal és számítógéppel elfér egy ujjlenyomat domborulatán (Forrás: Marc Miskin, Penn)

Nagyítás nélkül szinte nem is látható egy ilyen robot, nagyjából 200×300×50 mikrométeresek, tehát valójában még kisebbek is, mint egy szem só. Nem öncélú kutatásról van szó: mivel élő mikroorganizmushoz hasonló méretűek, ezek a robotok egy napon

segíthetnek az orvosoknak az egyes sejtek monitorozásában vagy támogathatják a mérnököket csúcstechnológiai gyártás során a mikroeszközök összeszerelésében.

A teljesen fényből táplálkozó-működő robotok hihetetlenül apró számítógépeket tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy programozott útvonalakat kövessenek, sőt érzékeljék a helyi hőmérséklet-változásokat, és azokhoz igazítsák mozgásukat.

A munkáról a Science Robotics és a Proceedings of the National Academy of Sciences folyóiratban számoltak be. Fontos megjegyezni, hogy a korábbi apró gépekkel ellentétben ezek a robotok nem támaszkodnak vezetékekre, mágneses mezőkre vagy külső vezérlésre. (A technológia alapjául szolgáló korábbi Cornell-kutatás itt érhető el.)

„A korábbiaknál tízezerszer kisebb autonóm robotokat készítettünk” – mondja Marc Miskin, a tanulmányok vezető szerzője. „Ez teljesen új lépték a programozható robotok számára.”

Milyen technológiai gátak nehezítették eddig a mikrorobotok gyártását?

Az elektronikai cikkek mérete az elmúlt évtizedekben folyamatosan csökkent, de a robotika nem követte le ezt a fejlődést. Miskin szerint roppant nehéz egy milliméter alatti autonóm robotot előállítani.

A tudomány lényegében negyven éve megtorpant ennél a problémánál.

Mindennapi méretekben a mozgást a gravitáció és a tehetetlenség befolyásolják, mikroszkopikus szinten azonban elsősorban az adott felszínhez kapcsolódó erők a meghatározóak. A közegellenállás és a viszkozitás elsöprően fontossá válik, drámaian megváltoztatva a mozgás szabályait. Ebben a tartományban a hagyományos lábak vagy karok rendkívül sérülékenyek és nehezen legyárthatóak.

Ezen korlátok leküzdésére a kutatók egy teljesen új mozgási módot fejlesztettek ki, olyat, amelyik nem legyőzni próbálja a mikrovilág fizikáját, hanem szimbiózisban működik vele.

A folyadékáramlás mesterei: hogyan úsznak a mikroszkopikus robotok?

A halak és más nagytestű lények úgy mozognak, hogy hátrafelé „tolják” a vizet. Az apró robotok ehelyett elektromos mezőt generálnak, amely finoman taszítja a környező folyadék töltött részecskéit. Ahogy az ionok mozognak, magukkal „rántják” a közeli vízmolekulákat, gyakorlatilag mozgást hoznak létre maguk körül.

Az elektromos mező állításával a robotok irányt válthatnak, összetett pályákat követhetnek, sőt mozgásukat halrajokra emlékeztető csoportokban is koordinálhatják. Másodpercenként akár egy testhossznyi sebességet elérhetnek. Mivel ez az „úszás” nem igényel kopó mechanikai alkatrészeket, rendkívül tartósak, hónapokig képesek működni.

Digitális intelligencia parányi helyen

A valódi autonómia azonban több a puszta mozgásnál: egy robotnak képesnek kell lennie a környezetének érzékelésére, döntések meghozatalára és saját energiájának biztosítására is. Olyan csipre van szükség, amely mindössze töredéke a milliméternek. Ezt a kihívást David Blaauw csapata vállalta magára a Michigani Egyetemen.

A robot fedélzeti számítógéppel rendelkezik, amely lehetővé teszi számára az utasítások önálló fogadását és követését  (Miskin Lab és Blaauw Lab)

Blaauw laboratóriuma világrekorder, ők alkották meg a világ legkisebb számítógépét. Amikor Blaauw és Miskin öt évvel ezelőtt találkoztak a Védelmi Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége (DARPA) egyik bemutatóján, gyorsan rájöttek, hogy technológiáik kiegészítik egymást. „Láttuk, hogy a Penn Engineering meghajtási rendszere és a mi apró elektronikus számítógépeink egymásnak vannak teremtve” – mondja Blaauw. Ennek ellenére

fél évtizednyi megfeszített munka kellett ahhoz, hogy a koncepcióból működő prototípus szülessen.

Egyik legnagyobb akadályuk az energiaellátás megoldása volt. A rendszer működéséhez speciális áramköröket terveztek, amelyek rendkívül alacsony feszültségen működnek, több mint ezredrészére redukálva az energiaigényt.

A krónikus helyhiánnyal is meg kellett küzdeniük: mivel a napelemek a robot felületének nagy részét elfoglalják, így nagyon kevés hely marad a számítástechnikai hardvereknek. Ennek megoldására a kutatók alapjaiban gondolták újra a vezérlőszoftver felépítését.

Érzékelő és kommunikáló robotrajok

Ezek az előrelépések együttesen hozták létre az első milliméter alatti méretű robotot, ami képes valódi döntéshozatalra. Korábban soha senki sem helyezett el egy ilyen kis robotban egy teljes számítógépet processzorral, memóriával és érzékelőkkel. Ez a belső architektúra teszi lehetővé, hogy a gépek ne csak sodródjanak, hanem tudatosan reagáljanak a külvilágra. Elektronikus hőmérséklet-érzékelőkkel rendelkeznek, amelyek akár egyharmad Celsius-foknyi változásokat is képesek érzékelni.

A mérések közlése is igencsak kreatív megoldást igényelt. „Hőmérsékletméréseik közléséhez speciális számítógépes utasítást terveztünk, amely egy értéket, például a mért hőmérsékletet, egyfajta kódolt tánccal jelez vissza” – mondja Blaauw. „Ezután kamerával ellátott mikroszkópon keresztül vizsgáljuk ezt a mozgást, és a rezgésekből dekódoljuk az adatokat. Ez kísértetiesen hasonlít a méhek információcseréjére.”

Szintén fényt használnak a robotokat működtető programozásra is. Minden robotnak egyedi címe van, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy különböző utasításokat töltsenek fel a különböző egységekre. „Ez szédületes lehetőségeket nyit meg” – teszi hozzá Blaauw –, „mivel minden robot potenciálisan más szerepet tölthet be egy nagyobb, közös feladat végrehajtásában.”

Út az emberi szervezet felé

Ezek a robotok csak a kiindulópontot jelentik. A jövőbeli verziók fejlettebb programokat hordozhatnak, gyorsabban mozoghatnak, további érzékelőket tartalmazhatnak, vagy zordabb környezetben is működhetnek. A kutatók a rendszert rugalmas platformként tervezték, amely egy robusztus meghajtási módszert ötvöz az olcsón gyártható és idővel adaptálható elektronikával.

„Ez igazából csak az első fejezet” – mondja Miskin. „Megmutattuk, hogy egy agyat, egy érzékelőt és egy motort bele lehet tenni egy szinte láthatatlan méretű valamibe, ami hónapokig fennmaradhat és működhet.”

2026 még nem az emberi tesztelés, hanem a műszaki finomhangolás éve. A legnagyobb kihívás jelenleg az energiaellátás megoldása: a robotok fénnyel működnek, a fény viszont nem hatol be mélyen az emberi testbe. A kutatók ezért idén azon dolgoznak, hogy a rajokat fény helyett ultrahanggal vagy mágnesességgel mozgassák.

Jelenleg mesterséges érrendszerekben vizsgálják, hogyan tudnak a parányi gépek úszni a vérárammal szemben, és próbálnak rájuk biológiai szenzorokat, egyfajta kémiai szaglószervet is szerelni, hogy felismerjék a rákos sejteket. Élő szervezetben – először valószínűleg egerekben – leghamarabb év végén indulhatnak meg a kísérletek, a valódi orvosi alkalmazás még néhány évet várat magára.