Ученые приближаются к созданию армий микроскопических роботов для доставки лекарств и очистки от токсичных загрязнений. Но создание роботов размером с песчинку требует минимизации навигационных систем на борту.
Микророботы учатся навигации у черных дыр: как теория Эйнштейна помогает машинам находить путь
Физики из Пенсильванского университета разработали систему навигации для микроскопических роботов, использующую алгоритмы общей теории относительности. Микромашины под управлением алгоритмов Эйнштейна самостоятельно находят путь в лабиринте.
Микрофотография различных конструкций роботов на чипе https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2500526122
Космический корабль около черной дыры движется по геодезическим линиям — кратчайшим путям в искривленном пространстве-времени. Массивная черная дыра деформирует само пространство, создавая «воронку». Корабль следует по прямой линии в четырехмерном пространстве-времени, но наблюдателю кажется, что он движется по изогнутой траектории, огибая гравитационный объект. Это не притяжение в классическом смысле, а движение по геометрии искривленного пространства.
Исследователи нашли способ помочь крошечному роботу ориентироваться без какой-либо связи или вычислительной электроники, вдохновившись неожиданным источником — общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Используя математику теории гравитации, ученые создают световые паттерны, которые направляют робота подобно космическому кораблю, летящему через искривленное пространство возле черной дыры. Работа опубликована в журнале PNAS.
Роботы под управлением Эйнштейна
Электрокинетическая движущая сила для микророботов. (A) Схема электрокинетического механизма. Подвижные ионы в двойном электрическом слое мигрируют в присутствии электрического поля, и генерируют потоки жидкости вокруг устройства, которые вызывают локомоцию. (B) Оптическое изображение кремниевого чипа с сотнями роботов на нем, различных по форме и количеству PV. Под ним — микрофотография различных конструкций роботов на чипе, изготовленных массово параллельно с 400 устройствами на 1,5 см квадратный чип (масштабная линейка, 500 мкм.) (C) Микрофотография конструкции из 4 PV с Ti/Pt электродами на обоих концах SiO2 корпуса устройства (масштабная линейка, 100 мкм.) (D) Монтаж движения устройства под глобальным освещением микроскопа в растворе (масштабная линейка, 200 мкм.)
Манипулирование микророботом — крошечным кусочком кремния — обычно представляет собой процесс «сверху-вниз», то есть ему надо отдать команду, чтобы он «действовал как марионетка», объясняет руководитель исследования Марк Мискин. Исследователи отслеживают микророботов и подталкивают их цели магнитными полями или другими силами.
Теперь физики создали минималистичного плавающего робота длиной менее миллиметра, который реагирует только на свет. H-образный бот содержит микроскопические солнечные элементы, соединенные с электродами. Освещение элементов генерирует электрическое поле между электродами, которое при погружении в раствор с ионами создает силу, толкающую бот в противоположном направлении.
Робот двигается по краю «черной дыры». Роботы длиной менее 1 миллиметра приводятся в движение специальными световыми схемами, а темные пятна функционируют почти как черные дыры.
Физики создали «искусственное пространство-время» с помощью специальных световых паттернов. Они использовали цифровой проектор и линзы для фокусировки света на чашку Петри, где плавают роботы. Математика общей теории относительности помогла преобразовать лабиринт в виртуальное пространство, где роботы могут следовать по «прямым линиям» (геодезическим) к цели.
Самая темная область располагается в месте назначения — как черная дыра в космосе. Робот реагирует на интенсивность света: его солнечные элементы генерируют электрические поля разной силы в зависимости от освещенности. Это создает градиент силы, который направляет робота по искривленному пути в физическом пространстве, хотя математически он движется по прямой в преобразованном пространстве-времени.
«Достаточно просто поместить робота в среду и оставить его в покое», — говорит Мискин. Дальше бот следует по пути, предсказанному общей теорией относительности, за предсказанное время. Процесс представляет уникальный способ кодирования карт для роботов, освобождая память для других задач.