Selvhelbredende mikroboter: Fra medisin til militær bruk

Et team av ingeniører ved Penn State har oppdaget en enkel metode for å lage og kontrollere svermer av selvhelbredende mikroboter. Vitenskapen henter inspirasjon fra naturen og kombinerer den med enkle mikrobotdesign som er i stand til å generere og registrere akustiske signaler. Denne tilnærmingen ligner på hvordan bier og andre insekter bruker lydbølger til å organisere seg i store grupper. Her er hva du trenger å vite.

Hva er mikroboter og hvordan de fungerer

Når den gjennomsnittlige personen tenker på roboter, ser de sannsynligvis for seg industrielle og militære anvendelser. Imidlertid har et økende antall av disse enhetene funnet bruk i medisinsk og katastrofehjelpssektoren. Disse enhetene er ofte mye mindre og kjent som mikroroboter på grunn av sin lille størrelse, som ofte er på nanoskala. Det er verdt å merke seg at mange forskere ser for seg en fremtid der disse små robotene jobber sammen i svermer for å utføre viktige oppgaver.

Utfordringer i utviklingen av Swarm Microbot-teknologi

Det er flere problemer som fortsetter å bremse utviklingen av mikroboter. En av de viktigste begrensende faktorene var størrelse. Imidlertid finnes det i dag flere måter for ingeniører og utviklere å lage disse små og ofte komplekse maskinene.

Et annet problem er å finne ut hvordan man kan kontrollere disse mikroskopiske enhetene. Tidligere var den primære måten å bruke en eller annen form for kjemisk kommunikasjonsmetode. Dette er tilnærmingen som mange insekter og dyr bruker i naturen for å finne og organisere, som maur. Det er imidlertid begrensninger ved denne tilnærmingen.

For eksempel er kjemisk signalering ikke reversibel. Når kjemikaliet først er frigjort, er det umulig å hente alt fra miljøet. Som sådan kan det bare brukes når man samler inn eller målretter enhetene. I tillegg er kjemiske signaler begrenset av avstand og beveger seg mye saktere sammenlignet med andre former for kommunikasjon.

Aktive materiesystemer

Vitenskapen om å forstå svermmentalitet og -strategier er et vitenskapsfelt som kalles aktiv materie. Spesialister på aktiv materie bruker år på å studere mikroskopiske biologiske og syntetiske svermer. Målet deres er å forstå hvordan disse massive gruppene kan koordinere seg for oppgaver som trusselvarsling og søk etter ressurser.

Akustisk kommunikasjon i naturlige svermer

Ingeniører innen aktiv materie har bemerket at akustisk signalering lenge har blitt brukt av flaggermus og andre arter for å formidle viktig informasjon. Hvaler er et annet dyr som bruker lydbølger til å kommunisere over store avstander. Imponerende nok har dyr som knølhvalen blitt registrert mens de kommuniserer ved hjelp av akustikk over avstander så langt som 1,000 kilometer.

Penn State-studie om akustisk kontrollerte selvreparerende mikroboter

Avisen¹ "Akustisk signalering muliggjør kollektiv persepsjon og kontroll i aktive materiesystemer, publisert i det vitenskapelige tidsskriftet APS, er den første vitenskapelige studien som integrerer akustikk for å kontrollere mikroniske svermer. Som sådan representerer den en viktig milepæl innen mikrorobotikk.

Kilde - APS

Forskere ved Penn State erkjente at naturen har hatt tusenvis av år på seg til å utvikle seg til de mest effektive metodene for å utføre bestemte oppgaver, og bestemte seg derfor for å forsøke å lage et sonisk kommunikasjonssystem for å kontrollere en robotsverm. Forskerne begynner arbeidet sitt med å beskrive hvordan bier bruker lydbølger for å finne hverandre og holde kontakten.

Datasimuleringsmodell av selvhelbredende mikroboter

I stedet for å bygge faktiske mikroboter, laget teamet en kompleks datamodell som dupliserte atferden disse enhetene ville gjennomgå under visse forhold på tvers av både partikkelbaserte og feltbaserte modeller.

Selvhelbredende mikrobot-agenter

Datamodellen var basert på en forenklet mikrobot kjent som en agent. Disse bittesmå digitale enhetene var designet for å etterligne handlingene til enkle elektroniske kretser. Kretsene inkluderte en akustisk oscillator og en mikrofon. Enhetene har også integrerte bittesmå motorer som gjør at de kan reagere på lyd via bevegelse.

Akustisk signalsystem for mikrobotkontroll

Ingeniørene laget deretter et akustisk signalsystem som kunne gi robotene enkle kommandoer. Mer spesifikt ville lydbølgene utløse tre handlinger, inkludert montering, navigering og kommunikasjon. Teamet bemerket umiddelbare fordeler, inkludert at lydbølgene forplantet seg mye raskere enn kjemiske systemer som ble brukt i tidligere mikrobotkontrollsystemer.

Kjerneregler for akustisk kontrollert mikrobot-atferd

Agentene ble programmert med bare to regler. Den første regelen dikterer at enhetene må bevege seg mot de høyeste lydene. Den andre regelen endrer lydene enheten lager. Det er verdt å merke seg at lyden den lager varierer basert på inngangsbølgene den mottar, noe som gjør hver enhet til en repeterende antenne for svermen.

Resultater av simuleringstest for selvreparerende mikroboter

For å teste sine beregningsagenter konstruerte ingeniørene flere oppgaver i datamodellmiljøet sitt. Den første testen var å se om robotene kunne sverme og hvilken oppførsel de viste under prosessen med å danne seg sammen og bevege seg mot steder eller fullføre oppgaver.

Selvorganiserende atferd i simulerte mikrobotsvermer

Ingeniørene måtte teste mikrorobotens evne til å organisere seg selv i svermer. De utførte denne oppgaven ved å få visse lydbølger til å starte svermatferd, noe som resulterte i det ingeniørene beskrev som primitiv gruppeintelligens.

Det er verdt å merke seg at hver enhet endret handlingen sin basert på lyden den registrerte. For å sverme fikk ingeniørene ganske enkelt robotene til å bevege seg mot den høyeste frekvensen og deretter dupliserte den. Dette trinnet hadde den tiltenkte effekten at hver robot justerte sitt akustiske felt og trakk andre til seg.

Interessant nok registrerte ingeniørene noen unike funn fra arbeidet sitt. For det første var de i stand til å dokumentere de første stadiene av kohesjon og de innledende stadiene av kollektiv intelligens. De bemerket at den intelligenslignende oppførselen lar svermen koordinere manøvrer og samarbeide.

Mikrorobotene var i stand til å omkonfigurere seg til flere forskjellige former avhengig av lydbølgene. Former som en slange gjorde det mulig for maskinene å bevege seg selv mens svermen vred seg. Andre interessante former inkluderte en roterende ring. Ingeniørene bemerket at de kunne synkronisere interne oscillatortilstander for å forbedre svermenes samhold, multifunksjonalitet og oppgavehåndteringsevner.

Ingeniørene bemerket at formene kunne endres ved å programmere ytterligere regler angående miljøregistrering. De dokumenterte hvordan individuelle roboter samarbeidet for å overvinne hindringer. Selv når de var atskilt, kunne svermen forvandle seg til en ny form og deretter selvhelbrede seg til sin opprinnelige form når de var forbi hindringen.

Viktige fordeler med akustisk kontrollerte selvreparerende mikroboter

Denne studien gir flere fordeler til feltet mikroboter. For det første demonstrerer den hvordan et enkelt robotdesign kan fullføre komplekse svermoppgaver kun ved å bruke lydbølger som veiledning. Som sådan driver denne studien mikroboter fremover ettersom lydbølger er mer pålitelige og enklere å fange opp enn andre kommunikasjonsmetoder.

Enkel design for kostnadseffektive mikroboter

Denne studien viser også hvordan enkle og rimelige mikroroboter kan lages med minimal kompleksitet, men samtidig utføre svermoppgaver. Disse enhetene, selv om de kun er laget digitalt, ville være svært rimelige å produsere i virkeligheten. Ingeniørens beslutning om å strippe enheten ned til bare en mikrofon, høyttaler og en oscillator demonstrerer hvordan mikroroboter ikke trenger å være altfor komplekse.

Lave kostnader

Den andre fordelen med å ha en enkel design er at den er billig å produsere. De teoretiske enhetene i studien kunne lages for få kroner og uten bruk av høyteknologiske maskiner. Dermed åpner de døren for massive industrielle operasjoner og mer.

Hvordan mikroroboter navigerer i trange rom: Viktige fordeler

De selvreparerende og organiserende egenskapene til akustiske mikroboter vil gjøre det mulig for disse enhetene å komme dit andre roboter ikke kan. Disse enhetene kan forvandle seg til enhver form som trengs for å klemme seg gjennom eller rundt trange rom. Svermen er i stand til å krympe ned til nesten en enkeltbits tykkelse, passere gjennom en liten sprekk og deretter omformes på den andre siden.

Sveip for å bla →

Selvhelbredende mikroboter: Virkelige applikasjoner

Det finnes mange bruksområder for denne teknologien. Mikrorobotikk er en raskt voksende sektor som en dag vil endre viktige vitenskaper over hele verden. Fra sensorapplikasjoner til å sikre at miljøet forblir trygt, er det mange måter denne teknologien vil være til fordel for verden. Her er noen av de beste bruksområdene for akustiske mikroroboter.

Søk- og redningsapplikasjoner for mikrobotsvermer

Å utføre søk og redningsaksjoner er en farlig oppgave som kan føre til ytterligere skader. I mange tilfeller er det farligere å finne og redde personen enn hvordan de havnet i situasjonen i utgangspunktet. Derfor er det avgjørende å bruke teknologi for å finne disse menneskene i nød så raskt som mulig.

Mikrobotsvermer ville være ideelle for disse oppgavene. For det første kunne de settes opp til å registrere miljøforholdene i området, og dermed forhindre ytterligere skader. Enhetene kan også komme seg inn på steder der andre roboter aldri ville passet inn. I tillegg kunne de omformes for å utføre oppgaver som ville kreve en større enhet.

Miljøovervåking med Microbot-teknologi

Mikroroboter vil bidra til å holde luften og havet renere. Disse enhetene vil en dag bli satt opp for å overvåke viktige miljødata. Disse systemene kan settes opp for å registrere luftforurensning rundt industrisoner, plastavfall i vassdrag og mye mer.

Helseapplikasjoner: Målrettede mikrobotbehandlinger

Mikroboter har gjort betydelige fremskritt innen helsevesenet. De kan brukes til å målrette spesifikke plager og notorisk vanskeligbehandlede områder på kroppen. Mikroboter kan for eksempel administrere medisiner til leveren din på målrettede steder. Denne oppgaven er tradisjonelt svært vanskelig på grunn av leverens tendens til å vaske ut medisinene før behandlingen kan tre i kraft.

Militær og forsvarsmessig bruk av mikrobotsvermer

Det finnes flere militære bruksområder for denne teknologien. Små robotsvermer kan brukes til trusseldeteksjonsscenarier og leirsikkerhet. De kan også ha offensive oppgaver som å angripe fiendens installasjoner eller forstyrre kommunikasjonssystemer.

Utviklingstidslinje for selvreparerende mikrobotteknologi

Du kan forvente å se denne teknologien i bruk innen de neste 10 årene. Det må fortsatt gjøres mer arbeid med hvordan man kan kontrollere disse enhetene for spesifikke oppgaver. I tillegg må det godkjennes for mange av bruksområdene, spesielt helserelaterte oppgaver.

Penn State-forskere bak studien av selvhelbredende mikroboter

Penn State var vertskap for studien av selvhelbredende mikrobotsvermer. Artikkelen nevner Alexander Ziepke, Ivan Maryshev, Igor Aranson og Erwin Frey som hovedforskerne. I tillegg finansierte John Templeton Foundation forskningen på mikroboter.

Fremtidige forskningsretninger for selvhelbredende mikroboter

Fremtiden for selvreparerende mikroboter er lys. Disse enhetene vil bli smartere etter hvert som forskere finner ut bedre metoder for å fange opp og gjenskape de akustiske signalene. Ingeniørene vil nå jobbe med å gi robotene flere funksjoner og mer motstandskraft mot interferens.

Investering i robotikk

Det finnes flere innovative selskaper som prøver å kontrollere robotsektoren. Disse firmaene har investert milliarder i å lage enheter som kan utføre oppgaver som er for trivielle eller umulige for mennesker. Her er et selskap som fortsetter å skape bølger med sin innovative tilnærming og produkter.

Microbot Medical Inc.

Microbot Medical Inc. (MBOT -1.28%) kom inn på markedet i 2010. Det ble grunnlagt i Israel før det flyttet til Massachusetts. Grunnleggeren, Harel Gadot, ønsket å bruke sin helseerfaring og kombinere den med avansert robotikk for å løse noen av de mest presserende helseproblemene.

I dag er Microbot Medical Inc. en ledende leverandør av mikrobot-enheter utviklet for å forbedre pasientutfall. Disse produktene gjør det mulig for pasienter å gjennomgå minimalt invasive prosedyrer for å behandle visse nevrovaskulære og kardiovaskulære lidelser.

De som søker tilgang til mikrobotsektoren bør undersøke Microbot Medicals produkter og posisjonering mer. Selskapet fortsetter å sikre nye partnerskap, og enhetene deres har vist seg å hjelpe pasienter som lider av alvorlige plager. Som sådan kan Microbot Medical tilby fremtidige muligheter etter hvert som fordelene med produktene deres blir mer kjent.

Siste nytt og utvikling for Microbot Medical (MBOT)-aksjen

Konklusjon: Fremtiden for akustiske selvreparerende mikroboter

Det er lett å se hvordan studien av selvhelbredende mikroboter vil bidra til å fremme aktive materiesystemer fremover. Forskerne fikk verdifull innsikt i hvordan akustikk kan kontrollere bittesmå enheter effektivt. Nå vil målet være å integrere andre metoder, som elektromagnetisk styring, for å fremme mikrobotenes evner. Foreløpig fungerer dette arbeidet som et verdifullt eksempel på hvordan naturen fortsetter å inspirere forskere og de som søker å løse mysteriene rundt informasjonsutvekslende svermer.

Lær om andre kule robotikk-gjennombrudd her..

Referert til studier:

^{1. Ziepke, A., Maryshev, I., Aranson, I. S., & Frey, E. (2025). Akustisk signalering muliggjør kollektiv persepsjon og kontroll i aktive materiesystemer. Fysisk gjennomgang X, 15(3), artikkel 031040. https://doi.org/10.1103/m1hl-d18s}