Будущее микроробототехники
Специалист по робототехнике, профессор Ольденбургского университета Сергей Фатиков рассказывает о различных сферах применения микро- и нанороботов, а также о будущем микроробототехники.
В первую очередь необходимо определиться со значением понятия «микро/нанороботы». Разные исследовательские сообщества явно обладают разными точками зрения на этот счет в зависимости от того, над чем они работают, то есть от того, какие способности роботов существенны для выполнения конкретных задач.
Это приводит нас к базовой классификации в микроробототехнике, которая основана на том, какая из особенностей микророботов является ключевой для выполнения тех или иных задач. С одной стороны, мы разрабатываем и применяем роботов, способных перемещаться или перемещать другие объекты с точностью микро/наноуровня. Например, вы хотите переместить нанокабель, толщина которого в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса. Или вы хотите провести инъекцию в биологическую клетку или извлечь из нее что-нибудь. Кроме того, вы хотите, чтобы эти и другие задания выполнялись в автоматическом режиме и без изнурительного ручного контроля, как это происходит с роботами, задействованными в индустриальном производстве. Такого рода задачи стоят перед высокоточной микроробототехникой.
С другой стороны, многие исследователи применяют микророботов там, где их ключевой особенностью оказывается способность к движению на длинных дистанциях (конечно, относительно размеров микророботов это может быть несколько миллиметров или сантиметров). Обычно такие роботы не контролируются вручную и обладают либо встроенной системой контроля, либо внешней – назовем их мобильными микророботами. Такие роботы могут использовать естественные пути транспортации по человеческому телу вроде кровеносных сосудов или желудочно-кишечного тракта для диагносцирования и лечения заболеваний. Конкретно эти технологии являются частью так называемой таргетной терапии.
Производство микророботов
Проектирование микророботов и соответствующие ему производственные методы, очевидно, зависят от размера деталей, из которых состоят роботы, а размер, в свою очередь, – от их назначения. Осмысленный подход к проектированию роботов заключается в том, чтобы всегда начинать от описания производимых роботом функций. Такое описание естественным образом приведет к определенным ограничениям в проектировании: в отношении размеров робота, диапазона его движений, диапазона силы, необходимых данных, совместимости с особенностями окружающей среды и так далее. Затем нам стоит задуматься о подходящих механизмах приведения в действия и сбора данных, а также о материале для производства робота. После того как мы выяснили все это, мы можем начать проектирование робота, ориентируясь на современные технологические возможности.
Кроме того, нам следует задуматься о тех данных, которые мы хотим получать от робота. Например, если для контролирования робота нам нужна обратная визуальная связь, полученная через микроскоп, тогда тот элемент робота, который мы собираемся отслеживать (в случае с высокоточными роботами в качестве него обычно выступает рабочий орган), должен всегда находиться в поле зрения микроскопа. Этот робот должен быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечить постоянную видимость соответствующего элемента.
Материалы и энергоснабжение
Выбор материалов полностью зависит от назначения роботов и их размеров. Важными критериями могут быть, к примеру, необходимая мощность, диапазон движений, цены на производство или совместимость со средой применений. Высокоточные микророботы нуждаются в таких механизмах приведения в действия, которые производят повторяемые и контролируемые изменения в позиции с чрезвычайно высоким разрешением, вплоть до субнанометрического уровня. В таких случаях обычно используют пьезоэлектрические материалы. Они являются крепкими, мощными и точными, а также широко доступны на рынке в самых различных вариациях.
Кремний часто является очевидным решением, если вам нужно использовать технологии микропроизводства в связи с размерными требованиями элементов робота. Поликремниевые электростатические актуаторы в виде гребней, произведенные при помощи поверхностной микрообработки, часто используются там, где от роботов не требуются высокие мощности. Другая опция – это сплавы, запоминающие форму, особенно если для вашей задачи не требуется очень быстрая реакция на актуатор. Для того чтобы привести микроробота в действие, могут использоваться и различные полимеры. Выбор материалов становится особенно сложным, когда микророботы функционируют внутри человеческого тела. Биологическая совместимость и нетоксичность – очевидные ограничения, но не единственные в этой сфере.
Энергоснабжение реализуется по-разному в зависимости от размера роботов и особенностей их назначения. Более крупные микророботы прибегают к внутренним системам актуации, используя, к примеру, упомянутые пьезоэлектрические материалы, полимеры и так далее. Такие роботы либо подключены к источнику электроэнергии, либо снабжены батареей. Что касается микросвиммеров – роботов, которые функционируют в жидкой среде, – существует множество других интересных вариантов энергоснабжения. В противовес к внутренней актуации микросвиммеры могут управляться отдаленными источниками энергии. Самый известный подход заключается в использовании магнетических катушек для энергоснабжения магнетических микророботов. Другие варианты включают различные методы самостоятельной подпитки и утилизации энергии биоматериалов, таких как клетки и бактерии.
Применение нано/микророботов
Представлением о том, что главной сферой применения микророботов является хирургия, мы обязаны научно-фантастическим фильмам вроде «Фантастического путешествия» (1966, реж. Ричард Флейшер). Фильм был снят более пятидесяти лет назад, но технологий для того, чтобы производить неинвазивную хирургию при помощи хирургических микророботов, до сих пор не существует. Профессиональное сообщество преимущественно работает над применениями в сфере доставки лекарственных средств или стволовых клеток в определенные части тела. Другая многообещающая сфера применения – отслеживание химических и физических параметров человеческих органов. В качестве путей для перемещения микророботов рассматриваются не только очевидные пути вроде желудочно-кишечного тракта или кровеносной системы, но и центральная нервная система и даже глазное яблоко.
Высокоточные микророботы создаются для целей индустриального производства на различных уровнях – от экспериментальных исследований и быстрого прототипирования до автоматизированной высокопроизводительной обработки. Помимо непосредственного производства, этот процесс включает составление механических и электрических описаний, а также измерений объекта микро- и наноуровня. Микро/наноинтеграция или мультиуровневое производство – это широко обсуждаемые методы коммерциализации нанотехнологий. Одним из ключевых вызовов здесь является, к примеру, вопрос о том, как интегрировать нанокомпоненты в микрочипы, для того чтобы увеличить производительность чипов.
Вызовы и перспективы развития
Объекты микроуровня управляются силами и законами, которые сильно отличаются от тех, которые мы имеем на макроуровне. Основная проблема заключается в том, что мы до сих пор не до конца понимаем механизмы, которые влияют на эти объекты, поэтому базовые исследования этих феноменов представляются неизбежными. Серьезный вызов в использовании мобильных микророботов в таргетной терапии заключается в достижении предсказуемости поведения роботов и их управляемости, включая ройное поведение. Биосовместимость и нетоксичность долгое время являются другой проблемой в этой сфере.
Кроме того, микророботы, используемые для наблюдений как с военными, так и с гражданскими целями, нуждаются в надежных и долгосрочных источниках питания. Такие применения подразумевают также серьезные вызовы для проектирования микророботов в зависимости от среды применения летающих, ползущих или плавающих микророботов. Коммуникация в роях микророботов также является большой проблемой в этой сфере использования.
Я очень оптимистичен по отношению к будущему микроробототехники по причине роста числа профессионалов, которые заняты в этой дисциплине. Следующие несколько лет мы будем наблюдать серьезное повышение качества производительности микророботов и рост числа стартапов, которые будут использовать потенциал микроробототехники для продвижения инноваций. В некоторых сферах использования мы заметим постепенное улучшение, в некоторых других мы, возможно, столкнемся с революционными прорывами. Канадский профессор Сильвиан Мартель, мой давний друг, в этом году выступил с пленарной речью на конференции MARSS (Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales – «Манипуляция, автоматизация и робототехника в малых масштабах»), озаглавленной так: «Лечение рака сможет положиться на медицинскую наноробототехнику раньше, чем мы могли предположить». Я замечаю такой же оптимистичный настрой в других исследовательских сообществах, изучающих микроробототехнику. Микророботы сыграют значительную роль в переменах, которые нас ждут.
Об авторе:
Сергей Фатиков – Professor in the Department of Computing Science and Head of Division for Microrobotics and Control Engineering at the University of Oldenburg, Germany; Member of the Editorial Board of Jour. of Micro-Bio Robotics.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru