Микромашины активно проникают в жизнь человека, выстраиваясь в его мир и перестраивая его. Конечно, основные перемены впереди, тем не менее, уже сейчас можно увидеть перспективные экземпляры, способные вывести существование людей на совершенно новый уровень.

Миниатюрные роботы совершат настоящую революцию в различных областях человеческой деятельности.

Механические тараканы разыщут выживших под завалами, электронные мухи заглянут в самые темные уголки на поле боя, дистанционно управляемые осы впрыснут снотворное в кровь террориста, взявшего заложников, группы пауков-автоматов тысячами высыплются на поверхность Марса, роботы-пчелы смогут без отдыха опылять сельскохозяйственные культуры, а сотни роботов размером с бактерию «подлатают» заболевшего человека изнутри.

Миллионы дешевых микромашин навсегда изменят мир, и каждый человек сможет поучаствовать в этом, собирая нужного робота у себя на кухне с помощью трехмерной печати.

Создание микромашин – это очень сложная научно-техническая задача, однако первые шаги уже сделаны.

Робот-стрекоза

Пока разработка полностью автономного микроробота является сложной проблемой, поскольку для этого необходимо поместить в крошечное устройство источник энергии, силовой привод, систему связи и управления, а также датчики. Поэтому ученые из Гарварда для начала решили создать робота, который может совершать управляемый вертикальный полет.

В сентябре 2011 года они продемонстрировали свою механическую летающую машину, похожую на стрекозу. Маленький робот весит всего 56 мг и с помощью двух крыльев способен быстро набирать высоту и плавно опускаться.

Основу конструкции составляет двойная консольная балка, которая может двигаться только в вертикальном направлении. Когда робот взмахивает крыльями, инерционные и аэродинамические силы заставляют крылья вращаться. Это создает ненулевой угол атаки крыла и, соответственно, подъемную силу.

В общем, чем быстрее робот хлопает крыльями, тем выше подъемная сила, которая, кстати, в 3,6 раз больше веса самого робота, что позволяет в будущем разместить на нем систему управления, датчики и источник питания.

Спасатель-многоножка

Вдохновленные успехом с летающим роботом, ученые также изготовили чрезвычайно интересную механическую многоножку, которая может найти самое широкое применение, например, при поисково-спасательных работах. Многоножка с 20-ю ногами довольно резво передвигается по ровной поверхности. Преимущества данной машины – экономичность, высокая проходимость и надежность: она может продолжить движение, даже если сломаются несколько секций.

В настоящее время уже существует автономная шестиногая модель данного робота под названием HAMR3. Эта механическая многоножка весит 1,7 грамма, имеет длину 5,7 см и развивает скорость до 4 см в секунду. Робот имеет шесть ног, очень похожих по устройству на конечности таракана. В движение ноги приводятся с помощью пъезоэлектрических пластин, питаемых крохотной батарейкой GM300910 весом 330 мг и емкостью 8 мА/ч. Батарейки хватает на 2 минуты непрерывного движения.

Рис. 1. Шестиногий робот HAMR3.

Источник питания является главным слабым местом HAMR3. К сожалению, современные аккумуляторы имеют слишком низкую плотность энергии для использования в микророботах, а солнечные панели – недостаточную эффективность преобразования света в электричество. Но даже в нынешнем виде HAMR3 демонстрирует огромный потенциал микромашин. Цена серийных многоножек должна быть невысокой: они изготавливаются из недорогих материалов с помощью лазерной резки и тех же технологий, что применяются для печати электронных плат.

Роботизированные частицы

Робот из Аргоннской Национальной лаборатории Министерства обороны США совершенно не похож на привычные нам машины. По сути, это взвесь ферромагнитных микрочастиц диаметром 0,5 мм, которые плавают между двумя слоями несмешивающихся жидкостей. Но как только ученые включают магнитное поле, перпендикулярное поверхности жидкости, микрочастицы быстро собираются в кольцеобразные структуры, названые «астры». Меняя конфигурацию магнитного поля, можно дистанционно управлять движением астр: заставлять их кружиться, двигаться в заданном направлении, собираться в группы и т.д. Астра может чинить себя: в случае разрушения или потери микрочастиц достаточно снова включить магнитное поле, и частицы вновь собираются вместе.

Более того, есть возможность изменить форму астры, превратив ее в своеобразные щипцы, позволяющие транспортировать различные немагнитные материалы, причем в несколько раз тяжелее самой астры. Также астры могут объединяться в группы и, например, собирать частицы, взвешенные в воде, действуя как своеобразный пылесос.

Самособирающиеся роботы-астры открывают уникальные возможности. Прежде всего, в науке, поскольку с их помощью можно перемещать хрупкие тяжелые предметы, что затруднительно сделать лазером или механическим манипулятором. В будущем состоящие из множества микрочастиц роботы найдут самое широкое применение. Они смогут очищать воду от различных загрязнителей, работать, как микронасосы, например, в микрофлюидных чипах.

Внутренний наблюдатель

Некоторые микророботы уже выполняют полезную работу. В декабре 2011 года специалисты Тель-Авивского университета представили микромашину, предназначенную для путешествия в тело человека. Сегодня для исследования пищеварительного тракта уже используются небольшие капсулы с миниатюрной видеокамерой. Однако они двигаются случайным образом и снимают «что попало».

Израильская капсула-робот имеет небольшой двигатель, которым можно управлять с помощью магнитного поля сканера МРТ. В ходе испытаний маленькая «подводная лодка» уверенно двигалась в резервуаре с водой. Совсем скоро управляемая микрокапсула позволит детально обследовать желудочно-кишечный тракт и находить скрытые опухоли, раны, проводить биопсию или доставлять лекарства прямо в очаг заболевания.

Это имеет огромное значение для медицины, поскольку рак желудочно-кишечного тракты является самым смертоносным из всех раковых образований – от него в мире ежегодно погибают 1,5 млн человек.

Робот-окулист

В Институте робототехники и интеллектуальных систем в Швейцарии разрабатываются несколько типов микророботов. В начале прошлого года ученые продемонстрировали микромашину, от которой становится неуютно практически каждому – робота, способного плавать внутри глазного яблока. Несмотря на наше инстинктивное неприятие любого предмета, который касается столь чувствительной и важной части нашего тела, крохотный робот все же предпочтительнее множества инъекций в глаза с помощью иглы. В этом и состоит главная задача микроробота: в течение нескольких месяцев робот может плавать по глазу, доставляя в нужное место микродозы лекарства. Таким образом можно эффективно лечить различные заболевания, такие как макулярная дегенерация, вызывающая слепоту. Фактически робот пока представляет собой контейнер для лекарств, управляемый с помощью магнитного поля, но в перспективе это устройство сможет путешествовать внутри тела, выполняя различные «поручения» врачей.

Робот-толкач

Швейцарские инженеры также разработали оригинальный движитель для микророботов, который позволяет микромашинам передвигаться по различным поверхностям. Создание двигательной установки для мобильных микророботов является одной из основных проблем. На современном этапе трудно изготовить микроскопический источник питания для двигателя микроробота, поэтому швейцарцам пришлось разработать силовую установку, которая забирает энергию из окружающей среды, вернее, управляющего магнитного поля.

В конструкции данного двигателя вместо привычных индукционных катушек применено непосредственное преобразование энергии магнитного поля в механическую. Двигатель состоит из рамок из золота и никеля и двух «молоточков». Под действием магнитного поля определенной конфигурации рамки изгибаются, молоточки соударяются, и двигатель толкает робота в определенном направлении и с нужной оператору скоростью.

Крохотный резонансный двигатель сможет двигать микророботов в нужном направлении, причем с высокой точностью и определенной скоростью, что крайне важно для роботов, работающих внутри человеческого тела.

Левитирующие роботы

Ученые из научного центра SRI International (США) разработали технологию, которая позволяет обойтись без движущихся частей. Созданные ими левитирующие в магнитном поле (как поезда на магнитной подушке) роботы практически не изнашиваются. При размере от 0,1 до 1 см они развивают исключительно высокую скорость: преодолевают за одну секунду расстояние, равное 217 длинам собственных тел (для сравнения у гепарда этот показатель равен 18). Также левитирующие роботы обладают высочайшей точностью движения – около 40 нанометров, – что позволяет собирать с их помощью сложные микроструктуры.

Все вышеперечисленное – лишь малая часть из сотен проектов микромашин. А засекреченных военных программ, скорее всего, гораздо больше. Микромашины войдут в нашу жизнь очень скоро. С одной стороны, они откроют новые возможности для медицины, промышленности и военного дела. С другой стороны, наша личная жизнь подвергнется массированной атаке, и трудно сказать, какой будет эпоха «микрореволюции».