Инженеры из США и Нидерландов создали микророботов, которые могут передвигаться в изменчивой среде и захватывать объекты, причем фаланги «пальцев» роботов сворачиваются для захвата без источника питания — в ответ на изменение температуры среды. Результаты тестов и свойства роботов ученые описали в работе, опубликованной в журнале PLOS One.

Ученые все чаще создают микророботов для решения медицинских задач: одни роботы способны захватывать клетки, другие свободно перемещаются по кровотоку и могут доставлять лекарственные препараты к нужному органу, а третьи сразу созданы из биосовместимых материалов и могут, например, убивать раковые клетки. Такими микророботами можно довольно точно управлять с помощью магнитного поля, что делает медицинские операции более безопасными и менее инвазивными. Разработчики стремятся создавать роботов как можно меньшего размера, которыми можно очень точно управлять и которые не нуждались бы в источнике питания, будучи способными черпать энергию прямо из окружающей среды.

Микророботы захватывают частицы материала в кусочке мягкого сыра. Federico Ongaro et al., PLOS One, 2017

Именно по таким принципам группа ученых из США и Нидерландов под руководством Федерико Онгаро (Federico Ongaro) из Университета Твенте разработала микророботов, способных реагировать на изменение температуры окружающей среды, и протестировала их способности к захвату и передвижению, а также их магнитные свойства.

Микророботы и схема сворачивания их фаланг: A) Робот диаметром 980 микрометров с шестью пальцами; B) диаметром 250 микрометров, с шестью пальцами; C) диаметром 100 микрометров, с шестью пальцами, и D) длиной 750 микрометров, с двумя пальцами. На F и G показано свертывание роботов диаметром 980 и 750 микрометров, соответственно. На всех изображениях линия внизу обозначает масштаб 100 микрометров. Federico Ongaro et al., PLOS One, 2017

Электромагнитная установка для управления магнитным движением. Справа изображен сценарий тестовой игры, слева — микроскопические изображения всех четырех моделей микророботов. Черная линия внизу означает масштаб 100 микрометров.

Ученые создали четыре модели металлических микророботов, размер которых варьировался от 100 до 980 микрометров в длину или в поперечнике. При этом у трех моделей было шесть «пальцев», а у одной — всего два. Эти роботы содержат термочувствительные полимеры, которые позволяют фалангам «пальцев» самостоятельно разворачиваться и сворачиваться при изменении температуры, и таким образом производить захват объектов. Роботами можно управлять с помощью камеры Blackfly, трекера и системы управления, которая состоит из оптического микроскопа и четырех электромагнитных катушек с железным сердечником. 

Шестипалый робот диаметром 250 микрометров проходит «лабиринт PacMan». Красной линией указана предполагаемая траектория от начального местоположения до цели. В каждом лабиринте находятся три мобильных агента. Federico Ongaro et al., PLOS One, 2017

Алгоритм передвижения роботов в замкнутой среде протестировали в виртуальных микролабиринтах со статичными элементами и движущимися частицами, дизайн лабиринта был подобен игре PacMan. Размер каждой стороны лабиринта составлял 20 размеров микроробота. Движениями роботов управлял алгоритм, с помощью которого микророботы должны были автономно передвигаться по лабиринту от заданной точки до целевой, минуя трех агентов, которые то нападали на робота, то разбегались по углам, переходя из одной фазы в другую каждые 5 секунд. Таким образом, алгоритмы не только рассчитывали роботам траекторию движения до целевой точки, но и производили коррекцию с учетом движения агентов.

Способности роботов схватывать частицы и преодолевать сопротивление среды ученые тестировали на плоской поверхности кусочка сыра моцарелла. Ученые манипулировали силой магнитного поля (от слабого изменения в 15 миллитесла до сильного в 1,35 тесла) и рассчитывали коэффициент сопротивления формы (КСФ) для каждой модели.

Шестипалые роботы-«микросхватыватели» диаметром 100 микрометров не справились с задачей захвата объектов, так как не обеспечивали достаточного угла складывания. КСФ оказался сильно зависим от размера робота: КСФ увеличивается наполовину, когда размер уменьшается в 3,9 раза, и в шесть раз, когда размер уменьшается в 9,8 раза. Максимальная скорость микроробота уменьшалась вместе со снижением размера робота. Так, максимальная скорость, которую может развить двупалый робот длиной 750 микрометров, в три раза превосходит максимальную скорость шестипалого робота меньшего размера (250 микрометров в диаметре) благодаря увеличению магнитного объема.

На основании полученных данных ученые также подсчитали, какая сила, теоретически, понадобится для управления этими роботами в крови пациента, если они будут двигаться против кровотока. Для расчетов они взяли среднее значение плотности среды, среднюю скорость кровотока в капиллярах, и предположили, что робот не будет касаться стенок сосудов. Они пришли к выводу, что требуемые силы должны быть меньше максимальной электромагнитной силы для всех, кроме моделей диаметром 100 микрометров. В дальнейшей работе ученые собираются протестировать способности роботов к захвату в трехмерной среде и в условиях сопротивления кровотока и таким образом продолжить адаптацию прототипов под клиническое использование. 

В современной медицине роботы постепенно вытесняют людей из операционных: они самостоятельно вставляют пациентам зубные имплантаты и оперируют свиней. Однако им тоже свойственны ошибки: мы писали о статистике смертей по вине роботов-хирургов, которую предоставили исследователи из Чикаго.

Автор: Анна Зинина