Samonaprawiające się mikroboty: medycyna i zastosowania wojskowe

Zespół inżynierów z Penn State odkrył prostą metodę tworzenia i kontrolowania rojów samonaprawiających się mikrobotów. Nauka czerpie inspirację z natury i łączy ją z prostymi projektami mikrobotów zdolnymi do generowania i rejestrowania sygnałów akustycznych. To podejście jest podobne do sposobu, w jaki pszczoły i inne owady wykorzystują fale dźwiękowe do organizowania się w duże grupy. Oto, co musisz wiedzieć.

Czym są mikroboty i jak działają

Kiedy przeciętny człowiek myśli o robotach, prawdopodobnie wyobraża sobie zastosowania przemysłowe i wojskowe. Jednak coraz więcej tych urządzeń znajduje zastosowanie w… medyczny i sektorów pomocy w przypadku klęsk żywiołowych. Urządzenia te są często znacznie mniejsze i nazywane mikrorobotami ze względu na ich niewielkie rozmiary, często w skali nano. Co ciekawe, wielu naukowców przewiduje przyszłość, w której te maleńkie roboty będą współpracować w rojach, aby wykonywać ważne zadania.

Wyzwania w rozwoju technologii roju mikrobotów

Istnieje kilka problemów, które nadal spowalniają rozwój mikrobotów. Jednym z głównych czynników ograniczających był rozmiar. Jednak obecnie inżynierowie i programiści mają kilka sposobów na stworzenie tych maleńkich i często skomplikowanych maszyn.

Kolejnym problemem jest znalezienie sposobu na kontrolowanie tych mikroskopijnych urządzeń. W przeszłości głównym sposobem było wykorzystanie jakiejś formy chemicznej komunikacji. Jest to podejście, z którego korzysta wiele owadów i zwierząt w naturze, aby się odnaleźć i zorganizować, na przykład mrówki. Jednak to podejście ma swoje ograniczenia.

Na przykład, sygnalizacja chemiczna jest nieodwracalna. Po uwolnieniu substancji chemicznej nie da się jej w całości usunąć ze środowiska. W związku z tym można jej używać jedynie do gromadzenia lub namierzania jednostek. Ponadto sygnały chemiczne są ograniczone odległością i przemieszczają się znacznie wolniej w porównaniu z innymi formami komunikacji.

Aktywne systemy materii

Nauka o zrozumieniu mentalności i strategii roju to dziedzina nauki zwana materią aktywną. Specjaliści od materii aktywnej spędzają lata na badaniu mikroskopijnych rojów biologicznych i syntetycznych. Ich celem jest zrozumienie, jak te ogromne grupy mogą koordynować działania, takie jak powiadamianie o zagrożeniach i poszukiwanie zasobów.

Komunikacja akustyczna w naturalnych rojach

Inżynierowie badający materię aktywną zauważyli, że sygnały akustyczne od dawna są wykorzystywane przez nietoperze i inne gatunki do przekazywania istotnych informacji. Wieloryby to kolejne zwierzęta wykorzystujące fale dźwiękowe do komunikacji na duże odległości. Co imponujące, odnotowano, że zwierzęta takie jak humbaki porozumiewają się akustycznie na odległość nawet 1,000 km.

Badania Penn State nad mikrobotami samonaprawiającymi się sterowanymi akustycznie

Papier¹ "Sygnalizacja akustyczna umożliwia kolektywną percepcję i kontrolę w systemach materii aktywnej„”, opublikowane w czasopiśmie naukowym APS, to pierwsze badanie naukowe integrujące akustykę do sterowania rojami mikroorganizmów. W związku z tym stanowi ono ważny kamień milowy w mikrorobotyce.

Źródło - APS

Uznając, że natura miała tysiące lat na ewolucję i wypracowanie najskuteczniejszych metod wykonywania określonych zadań, naukowcy z Penn State postanowili spróbować stworzyć system komunikacji dźwiękowej do sterowania rojem robotów. Naukowcy rozpoczynają swoją pracę od opisu, jak pszczoły wykorzystują fale dźwiękowe do odnajdywania się i utrzymywania kontaktu.

Komputerowy model symulacyjny samonaprawiających się mikrobotów

Zamiast budować prawdziwe mikroboty, zespół stworzył złożony model komputerowy, który odwzorowywał zachowania tych urządzeń w określonych warunkach, zarówno w modelach opartych na cząsteczkach, jak i na polu.

Samonaprawiający się agenci mikrobotów

Model komputerowy opierał się na uproszczonym mikrorobocie zwanym agentem. Te maleńkie urządzenia cyfrowe zostały zaprojektowane tak, aby naśladować działanie prostych obwodów elektronicznych. Obwody zawierały oscylator akustyczny i mikrofon. Urządzenia integrują również maleńkie silniczki, które umożliwiają im reagowanie na dźwięk poprzez ruch.

System sygnalizacji akustycznej do sterowania mikrobotami

Następnie inżynierowie stworzyli system sygnalizacji akustycznej, który mógł wydawać robotom proste polecenia. Fale dźwiękowe miały uruchamiać trzy czynności: montaż, nawigację i komunikację. Zespół zauważył natychmiastowe korzyści, w tym fakt, że fale dźwiękowe rozchodziły się znacznie szybciej niż systemy chemiczne stosowane we wcześniejszych systemach sterowania mikrobotami.

Podstawowe zasady zachowania mikrobotów sterowanych akustycznie

Agenci Keely zostali zaprogramowani tylko na podstawie dwóch reguł. Pierwsza reguła nakazuje, aby urządzenia poruszały się w kierunku najgłośniejszych dźwięków. Druga reguła zmienia dźwięki generowane przez urządzenie. Co ciekawe, dźwięk, który generuje, zmienia się w zależności od odbieranych fal wejściowych, czyniąc każde urządzenie powtarzalną anteną dla roju.

Wyniki testów symulacyjnych dla samonaprawiających się mikrobotów

Aby przetestować swoje agenty obliczeniowe, inżynierowie skonstruowali kilka zadań w środowisku modelu komputerowego. Pierwszy test miał na celu sprawdzenie, czy roboty potrafią się roić i jakie zachowania wykazują podczas formowania się i zbliżania do lokalizacji lub wykonywania zadań.

Zachowanie samoorganizujące się w symulowanych rojach mikrobotów

Inżynierowie musieli przetestować zdolność mikrorobota do samoorganizacji w roje. Osiągnęli to zadanie, sprawiając, że określone fale dźwiękowe inicjowały zachowanie roju, co zaowocowało tym, co inżynierowie określili mianem prymitywnej inteligencji grupowej.

Co ciekawe, każde urządzenie zmieniało swoje działanie w zależności od zarejestrowanego dźwięku. Aby utworzyć rój, inżynierowie po prostu kazali botom poruszać się w kierunku najgłośniejszej częstotliwości, a następnie ją powielili. Ten krok miał zamierzony efekt – każdy bot dostosowywał swoje pole akustyczne, przyciągając do siebie inne.

Co ciekawe, inżynierowie zanotowali pewne unikalne odkrycia w ramach swojej pracy. Po pierwsze, udało im się udokumentować pierwsze etapy spójności i początkowe etapy inteligencji zbiorowej. Zauważyli, że zachowanie przypominające inteligencję pozwala rojowi koordynować manewry i współpracować.

Co ciekawe, mikroroboty były w stanie przekształcać się w wiele różnych kształtów w zależności od fal dźwiękowych. Kształty takie jak wąż umożliwiały maszynom samoczynne poruszanie się, gdy rój się wił. Inne interesujące kształty obejmowały wirujący pierścień. Inżynierowie zauważyli, że mogą synchronizować stany wewnętrznych oscylatorów, aby zwiększyć spójność, wielofunkcyjność i zdolność roju do obsługi zadań.

Inżynierowie zauważyli, że kształty można modyfikować, programując dodatkowe reguły dotyczące czujników środowiskowych. Udokumentowali, jak poszczególne roboty współpracowały ze sobą, aby pokonywać przeszkody. Nawet rozdzielone, rój mógł przybrać nowy kształt, a następnie samoistnie powrócić do pierwotnej formy po pokonaniu przeszkody.

Kluczowe korzyści z samonaprawiających się mikrobotów sterowanych akustycznie

Niniejsze badanie przynosi wiele korzyści w dziedzinie mikrobotów. Po pierwsze, pokazuje, jak uproszczona konstrukcja robota może wykonywać złożone zadania roju, wykorzystując jedynie fale dźwiękowe jako sygnały. W związku z tym, badanie to rozwija mikroboty, ponieważ fale dźwiękowe są bardziej niezawodne i łatwiejsze do przechwycenia niż inne metody komunikacji.

Prosty projekt ekonomicznych mikrobotów

Badanie pokazuje również, jak proste i niedrogie mikroroboty można tworzyć z minimalną złożonością, a jednocześnie wykonywać zadania roju. Urządzenia te, choć tworzone wyłącznie cyfrowo, byłyby bardzo tanie w produkcji w warunkach rzeczywistych. Decyzja inżyniera o zredukowaniu urządzenia do zaledwie mikrofonu, głośnika i oscylatora pokazuje, że mikroroboty nie muszą być nadmiernie złożone.

Niskie koszty

Inną zaletą uproszczonej konstrukcji jest jej niski koszt produkcji. Teoretyczne urządzenia objęte badaniem można by stworzyć za grosze i bez użycia zaawansowanych technologicznie maszyn. W ten sposób otwierają one drogę do masowych operacji przemysłowych i nie tylko.

Jak mikroboty poruszają się w ciasnych przestrzeniach: kluczowe zalety

Samonaprawiające się i organizujące właściwości mikrobotów akustycznych pozwolą tym urządzeniom dotrzeć tam, gdzie inne roboty nie są w stanie. Urządzenia te mogą przybierać dowolny kształt, aby przecisnąć się przez ciasne przestrzenie. Rój jest w stanie skurczyć się do grubości niemal jednego bitu, przejść przez małą szczelinę, a następnie ponownie utworzyć się po drugiej stronie.

Przesuń, aby przewijać →

Samonaprawiające się mikroboty: zastosowania w świecie rzeczywistym

Ta technologia ma wiele zastosowań. Mikrorobotyka to szybko rozwijający się sektor, który pewnego dnia zmieni kluczowe nauki na całym świecie. Od zastosowań w czujnikach po zapewnienie bezpieczeństwa środowiska – istnieje wiele sposobów, w jakie ta technologia przyniesie korzyści światu. Oto kilka najważniejszych zastosowań mikrorobotów akustycznych.

Zastosowania poszukiwawczo-ratownicze dla rojów mikrobotów

Prowadzenie akcji poszukiwawczo-ratunkowych to niebezpieczne zadanie, które może skutkować dalszymi obrażeniami. W wielu przypadkach znalezienie i uratowanie osoby jest bardziej ryzykowne niż sam fakt znalezienia się w takiej sytuacji. Dlatego kluczowe jest wykorzystanie technologii, aby jak najszybciej zlokalizować osoby potrzebujące pomocy.

Roje mikrobotów idealnie nadawałyby się do tych zadań. Po pierwsze, mogłyby zostać skonfigurowane tak, aby rejestrować warunki środowiskowe danego obszaru, zapobiegając dalszym urazom. Po drugie, urządzenia te mogłyby dotrzeć do miejsc, do których inne roboty nigdy by się nie zmieściły. Co więcej, mogłyby się przebudować, aby wykonywać zadania wymagające większego urządzenia.

Monitorowanie środowiska z wykorzystaniem technologii Microbot

Mikroboty pomogą utrzymać czystość powietrza i morza. Urządzenia te zostaną w przyszłości zainstalowane w celu monitorowania kluczowych danych środowiskowych. Systemy te mogą być wykorzystywane do rejestrowania zanieczyszczenia powietrza wokół stref przemysłowych, odpadów plastikowych w drogach wodnych i wielu innych czynników.

Zastosowania w opiece zdrowotnej: ukierunkowane leczenie mikrobotami

Mikroboty poczyniły znaczące postępy w branży opieki zdrowotnej. Mogą być wykorzystywane do leczenia konkretnych schorzeń i obszarów ciała, które są wyjątkowo trudne do leczenia. Na przykład, mikroboty mogą podawać leki do wątroby w wybrane miejsca. To zadanie jest tradycyjnie bardzo trudne ze względu na tendencję wątroby do wypłukiwania leków, zanim leczenie zacznie działać.

Zastosowania militarne i obronne rojów mikrobotów

Technologia ta ma szereg zastosowań wojskowych. Małe roje robotów mogą być wykorzystywane do wykrywania zagrożeń i ochrony obozów. Mogą one również wykonywać zadania ofensywne, takie jak atakowanie wrogich instalacji czy zakłócanie systemów komunikacyjnych.

Harmonogram rozwoju technologii samonaprawiających się mikrobotów

Można się spodziewać, że ta technologia wejdzie do użytku w ciągu najbliższych 10 lat. Nadal konieczne są dalsze prace nad sterowaniem tymi urządzeniami w celu realizacji konkretnych zadań. Ponadto wiele zastosowań, zwłaszcza w służbie zdrowia, będzie wymagało zatwierdzenia.

Naukowcy z Penn State stoją za badaniem samonaprawiających się mikrobotów

Uniwersytet Stanowy Pensylwanii był gospodarzem badania nad rojem samonaprawiających się mikrobotów. W artykule wymieniono Aleksandra Ziepkego, Iwana Maryszewa, Igora Aransona i Erwina Freya jako głównych badaczy. Dodatkowo, Fundacja Johna Templetona sfinansowała badania nad mikrobotami.

Przyszłe kierunki badań nad samonaprawiającymi się mikrobotami

Przyszłość samonaprawiających się mikrobotów rysuje się w jasnych barwach. Urządzenia te staną się inteligentniejsze, gdy naukowcy opracują lepsze metody przechwytywania i replikowania sygnałów akustycznych. Inżynierowie będą teraz pracować nad zapewnieniem botom większych możliwości i odporności na zakłócenia.

Inwestowanie w robotykę

Istnieje wiele innowacyjnych firm dążących do przejęcia kontroli nad sektorem robotyki. Firmy te zainwestowały miliardy w tworzenie urządzeń, które potrafią wykonywać zadania zbyt prozaiczne lub niemożliwe do wykonania dla człowieka. Oto jedna firma, która wciąż robi furorę dzięki swojemu innowacyjnemu podejściu i produktom.

Firma Microbot Medical Inc.

Firma Microbot Medical Inc. (MBOT ) Firma weszła na rynek w 2010 roku. Powstała w Izraelu, a następnie przeniosła się do Massachusetts. Jej założyciel, Harel Gadot, chciał wykorzystać swoje doświadczenie w opiece zdrowotnej i połączyć je z zaawansowaną robotyką, aby pomóc rozwiązać niektóre z najbardziej palących problemów zdrowotnych.

Obecnie Microbot Medical Inc. jest wiodącym dostawcą urządzeń typu mikrobot, zaprojektowanych w celu poprawy wyników leczenia pacjentów. Produkty te umożliwiają pacjentom poddawanie się minimalnie inwazyjnym zabiegom, wspomagającym leczenie niektórych schorzeń nerwowo-naczyniowych i sercowo-naczyniowych.