Самовідновлювальні мікроботи: від медицини до військового використання

Команда інженерів з Університету штату Пенсильванія розкрила простий метод створення та контролю роїв самовідновлювальних мікроботів. Ця наука черпає натхнення з природи та поєднує її з простими конструкціями мікроботів, здатними генерувати та реєструвати акустичні сигнали. Цей підхід схожий на те, як бджоли та інші комахи використовують звукові хвилі для організації у великі групи. Ось що вам потрібно знати.

Що таке мікроботи та як вони працюють

Коли пересічна людина думає про роботів, вона, ймовірно, уявляє собі промислове та військове застосування. Однак дедалі більша кількість цих пристроїв знаходить застосування в медичний та сектори ліквідації наслідків стихійних лих. Ці пристрої часто набагато менші та відомі як мікророботи через їх крихітний розмір, який часто знаходиться в наномасштабі. Примітно, що багато вчених уявляють майбутнє, де ці крихітні роботи працюватимуть разом у роях для виконання важливих завдань.

Проблеми розробки технології Swarm Microbot

Існує кілька проблем, які продовжують уповільнювати розвиток мікроботів. Одним з головних обмежувальних факторів був розмір. Однак сьогодні існує кілька способів для інженерів та розробників створювати ці крихітні та часто складні машини.

Ще одне питання полягає в тому, як керувати цими мікроскопічними пристроями. У минулому основним способом було використання певної форми хімічного методу комунікації. Це підхід, який багато комах і тварин використовують у природі для пошуку та організації, як-от мурахи. Однак цей підхід має свої обмеження.

Наприклад, хімічна сигналізація не є оборотною. Після вивільнення хімічної речовини неможливо витягти її всю з навколишнього середовища. Таким чином, її можна використовувати лише для збору або цілеспрямування юнітів. Крім того, хімічні сигнали обмежені відстанню та поширюються набагато повільніше порівняно з іншими формами комунікації.

Системи активної речовини

Наука про розуміння менталітету та стратегій рою – це галузь науки, яка називається активною речовиною. Фахівці з активною речовиною роками вивчають мікроскопічні біологічні та синтетичні рої. Їхня мета – зрозуміти, як ці масивні групи можуть координувати свої дії для виконання таких завдань, як сповіщення про загрозу та пошук ресурсів.

Акустична комунікація в природних роях

Інженери з активної речовини зазначили, що акустична сигналізація вже давно використовується кажанами та іншими видами для передачі життєво важливої інформації. Кити – ще одна тварина, яка використовує звукові хвилі для спілкування на величезних відстанях. Вражає, що тварини, такі як горбатий кит, спілкуються за допомогою акустики на відстанях до 1,000 миль.

Дослідження Університету штату Пенсильванія щодо акустично керованих самовідновлювальних мікроботів

Папір¹ "Акустична сигналізація забезпечує колективне сприйняття та контроль у системах з активною речовиною«», опублікована в науковому журналі APS, є першим науковим дослідженням, яке інтегрує акустику для контролю мікронних роїв. Таким чином, вона є важливою віхою в мікроробототехніки.

Джерело - APS

Визнаючи, що природа мала тисячі років, щоб еволюціонувати до найефективніших методів виконання певних завдань, вчені з Університету штату Пенсильванія вирішили спробувати створити систему звукового зв'язку для керування роєм роботів. Дослідники починають свою роботу з опису того, як бджоли використовують звукові хвилі, щоб знаходити одна одну та підтримувати зв'язок.

Комп'ютерна симуляційна модель самовідновлюваних мікроботів

Замість того, щоб створювати справжніх мікроботів, команда створила складну комп'ютерну модель, яка дублювала поведінку цих пристроїв за певних умов як у моделях на основі частинок, так і в моделях на основі поля.

Самовідновлювальні мікроботи-агенти

Комп'ютерна модель базувалася на спрощеному мікроботі, відомому як агент. Ці крихітні цифрові пристрої були розроблені для імітації дій простих електронних схем. Схеми включали акустичний генератор і мікрофон. Пристрої також інтегрували крихітні двигуни, які дозволяють їм реагувати на звук за допомогою руху.

Система акустичної сигналізації для керування мікроботами

Потім інженери створили акустичну сигнальну систему, яка могла б передавати роботам прості команди. Зокрема, звукові хвилі мали б запускати три дії, включаючи складання, навігацію та спілкування. Команда відзначила безпосередні переваги, зокрема те, що звукові хвилі поширювалися набагато швидше, ніж хімічні системи, що використовувалися в попередніх системах керування мікроботами.

Основні правила поведінки мікроботів з акустичним контролем

Що цікаво, агентів запрограмували лише за двома правилами. Перше правило вимагає, щоб пристрої рухалися в напрямку найгучніших звуків. Друге правило змінює звуки, які створює пристрій. Примітно, що звук, який він створює, змінюється залежно від вхідних хвиль, які він отримує, що робить кожен пристрій повторюваною антеною для рою.

Результати симуляційних випробувань для самовідновлювальних мікроботів

Щоб протестувати свої обчислювальні агенти, інженери створили кілька завдань у середовищі комп'ютерної моделі. Першим тестом було перевірити, чи можуть роботи групуватися в рой, і яку поведінку вони демонструють під час формування разом та руху до місць розташування або виконання завдань.

Самоорганізуюча поведінка в імітованих роях мікроботів

Інженерам потрібно було перевірити здатність мікроробота самоорганізуватися в рої. Вони виконали це завдання, створивши певні звукові хвилі, що ініціювали ройову поведінку, що призвело до того, що інженери назвали примітивним груповим інтелектом.

Примітно, що кожен пристрій змінював свою дію залежно від зареєстрованого звуку. Щоб створити рой, інженери просто змусили ботів рухатися до найгучнішої частоти, а потім дублювали її. Цей крок мав бажаний ефект: кожен бот налаштовував своє акустичне поле, приваблюючи до нього інших.

Цікаво, що інженери зафіксували деякі унікальні результати своєї роботи. По-перше, вони змогли задокументувати перші стадії згуртованості та початкові стадії колективного інтелекту. Вони зазначили, що поведінка, подібна до інтелекту, дозволяє рою координувати маневри та працювати разом.

Мікророботи змогли переналаштовуватися в різні форми залежно від звукових хвиль. Такі форми, як змія, дозволяли машинам самостійно рухатися, коли рій звивався. Інші цікаві форми включали обертове кільце. Інженери зазначили, що вони могли синхронізувати стани внутрішніх осциляторів, щоб підвищити згуртованість, багатофункціональність та можливості виконання завдань роїв.

Інженери зазначили, що форми можна змінювати, програмуючи додаткові правила щодо сприйняття навколишнього середовища. Вони задокументували, як окремі боти працювали разом, щоб подолати перешкоди. Навіть будучи розділеними, рій міг трансформуватися в нову форму, а потім самовідновлюватися до своєї початкової форми, подолавши перешкоду.

Основні переваги акустично керованих самовідновлювальних мікроботів

Це дослідження має багато переваг для галузі мікроботів. По-перше, воно демонструє, як спрощена робототехнічна конструкція може виконувати складні ройові завдання, використовуючи лише звукові хвилі як орієнтир. Таким чином, це дослідження просуває мікроботів вперед, оскільки звукові хвилі є надійнішими та легшими для захоплення, ніж інші методи зв'язку.

Простий дизайн для економічно ефективних мікроботів

Це дослідження також показує, як прості та доступні мікророботи можуть бути створені з мінімальною складністю, але виконувати завдання рою. Ці пристрої, хоча й створені лише в цифровому вигляді, були б дуже недорогими для виготовлення в реальному житті. Рішення інженера розібрати пристрій лише до мікрофона, динаміка та осцилятора демонструє, що мікроботи не повинні бути надто складними.

Низькі витрати

Іншою перевагою спрощеного дизайну є його дешевизна у виготовленні. Теоретичні пристрої, що розглядаються в дослідженні, можна створити за копійки та без використання високотехнологічного обладнання. Таким чином, вони відкривають шлях для масштабних промислових операцій тощо.

Як мікроботи орієнтуються у вузьких просторах: ключові переваги

Самовідновлювальні та організовані характеристики акустичних мікроботів дозволять цим пристроям проходити туди, куди не можуть інші роботи. Ці пристрої можуть приймати будь-яку форму, необхідну для проходження крізь вузькі простори або обходу них. Рой здатний стискатися майже до товщини в один біт, проходити крізь невелику тріщину, а потім знову формуватися на іншому боці.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Самовідновлювальні мікроботи: застосування в реальному світі

Ця технологія має багато застосувань. Мікроробототехніка — це швидкозростаючий сектор, який одного дня змінить ключові науки в усьому світі. Від застосування датчиків до забезпечення безпеки навколишнього середовища — існує багато способів, якими ця технологія принесе користь світу. Ось деякі з найкращих застосувань акустичних мікророботів.

Пошуково-рятувальні програми для роїв мікроботів

Проведення пошуково-рятувальних операцій – це небезпечне завдання, яке може призвести до подальших травм. У багатьох випадках пошук та порятунок людини є більш небезпечним, ніж те, як вона потрапила в цю ситуацію. Тому вкрай важливо використовувати технології, щоб якомога швидше знайти цих людей, які цього потребують.

Для цих завдань ідеально підійшли б рої мікроботів. По-перше, їх можна було б налаштувати для реєстрації умов навколишнього середовища в певній місцевості, запобігаючи подальшим травмам. Крім того, пристрої можуть проникати в місця, куди інші роботи ніколи б не помістилися. Крім того, вони могли б переформовуватися для виконання завдань, які вимагали б більшого пристрою.

Моніторинг навколишнього середовища за допомогою технології Microbot

Мікроботи допоможуть зберегти повітря та море чистішими. Ці пристрої колись будуть налаштовані на моніторинг важливих екологічних даних. Ці системи можна буде впровадити для реєстрації забруднення повітря навколо промислових зон, пластикових відходів у водних шляхах та багато іншого.

Застосування в охороні здоров'я: цільове лікування мікроботами

Мікроботи досягли значних успіхів у галузі охорони здоров'я. Їх можна використовувати для лікування певних захворювань та, як відомо, складних для лікування ділянок тіла. Наприклад, мікроботи можуть вводити ліки в печінку в цільових місцях. Це завдання традиційно дуже складне через схильність печінки вимивати ліки, перш ніж лікування почне діяти.

Військове та оборонне використання роїв мікроботів

Існує кілька військових застосувань цієї технології. Крихітні рої роботів можна використовувати для сценаріїв виявлення загроз та охорони таборів. Вони також можуть виконувати наступальні завдання, такі як атака на ворожі об'єкти або порушення систем зв'язку.

Графік розробки технології самовідновлюваних мікроботів

Ви можете очікувати, що ця технологія буде використовуватися протягом наступних 10 років. Потрібно ще багато роботи над тим, як керувати цими пристроями для виконання конкретних завдань. Крім того, для багатьох застосувань, особливо для будь-яких завдань, пов'язаних з охороною здоров'я, знадобиться схвалення.

Дослідники з Університету штату Пенсильванія, що стоять за дослідженням самовідновлюваних мікроботів

Університет штату Пенсильванія провів дослідження самовідновлюваного рою мікроботів. У статті зазначено, що головними дослідниками були Александр Зіпке, Іван Маришев, Ігор Арансон та Ервін Фрей. Крім того, дослідження мікроботів профінансував Фонд Джона Темплтона.

Майбутні напрямки досліджень самовідновлюваних мікроботів

Майбутнє самовідновлювальних мікроботів світле. Ці пристрої стануть розумнішими, оскільки дослідники виявлять кращі методи захоплення та відтворення акустичних сигналів. Тепер інженери працюватимуть над тим, щоб надати роботам більше можливостей та стійкості до перешкод.

Інвестування в робототехніку

Існує кілька інноваційних компаній, які прагнуть контролювати сектор робототехніки. Ці фірми вклали мільярди у створення пристроїв, здатних виконувати завдання, які є надто буденними або неможливими для людини. Ось одна компанія, яка продовжує робити фурор завдяки своєму інноваційному підходу та продуктам.

Microbot Medical Inc.

Microbot Medical Inc. (MBOT ) вийшла на ринок у 2010 році. Вона була заснована в Ізраїлі, перш ніж переїхати до Массачусетсу. Її засновник, Харель Гадот, хотів використати свій досвід у сфері охорони здоров'я та поєднати його з передовою робототехнікою, щоб допомогти вирішити деякі з найактуальніших проблем зі здоров'ям.

Сьогодні Microbot Medical Inc. є провідним постачальником мікроботів, призначених для покращення результатів лікування пацієнтів. Ці продукти дозволяють пацієнтам проходити мінімально інвазивні процедури для лікування певних нейроваскулярних та серцево-судинних захворювань.

Тим, хто хоче отримати доступ до сектору мікроботів, слід провести більше досліджень щодо продуктів та позиціонування Microbot Medical. Компанія продовжує залучати нових партнерів, а її пристрої, як доведено, допомагають пацієнтам, які страждають від серйозних захворювань. Таким чином, Microbot Medical може запропонувати майбутні можливості, оскільки переваги її продуктів стануть більш відомими.

Останні новини та події щодо акцій Microbot Medical (MBOT)

Висновок: Майбутнє акустичних самовідновлювальних мікроботів

Легко зрозуміти, як дослідження самовідновлювальних мікроботів допоможе вдосконалити системи активної речовини. Дослідники отримали цінну інформацію про те, як... акустика може ефективно керувати крихітними пристроями. Тепер метою буде інтеграція інших методів, таких як електромагнітне керування, для подальшого розширення можливостей мікроботів. Наразі ця робота служить цінним прикладом того, як природа продовжує надихати вчених та тих, хто прагне розгадати таємниці роїв, що обмінюються інформацією.

Дізнайтеся про інші цікаві прориви в робототехніці тут.

Посилання на дослідження:

^{1. Зіпке А., Маришев І., Арансон І. С. та Фрей Е. (2025). Акустична сигналізація забезпечує колективне сприйняття та контроль в системах з активною речовиною. Physical Review X, 15(3), стаття 031040. https://doi.org/10.1103/m1hl-d18s}