Микророботы (или микроботы) — область микроробототехники, в частности проектирование мобильных роботов размером менее 1 мм. Это название также может быть использовано для роботов, способных к работе с компонентами размером в микрометры. Малые размеры обеспечивают точность манипуляций и свободу перемещения в ограниченных рабочих пространствах, что делает микророботов перспективным инструментом для задач сверхвысокой точности: микропроизводства, адресной доставки и неинвазивной прецизионной медицины.

История

Появление микророботов стало возможным благодаря созданию микроконтроллеров в последнем десятилетии XX века и разработке миниатюрных механических систем, основанных на кремнии (MEMS), хотя в конструкции многих микророботов не используется кремний для механических деталей, не считая датчиков. Первые исследования и концептуальное проектирование таких маленьких роботов были проведены в начале 1970-х годов в рамках засекреченных на тот момент исследований для американских спецслужб.

На начальном этапе практическое применение предусматривало освобождение военнопленных, радио и радиотехнические разведывательные миссии. Лежащие в основе миниатюризации вспомогательные технические средства не были достаточно развиты в то время, поэтому при ранних расчётах и создании концепции технических требований в разработке прототипов явного прогресса не было.

Развитие беспроводных соединений, особенно Wi-Fi (то есть в домашних сетей) значительно увеличило пропускную способность микророботов и, следовательно, их способность взаимодействовать с другими микроботами для выполнения более сложных задач. Действительно, множество последних исследований сосредоточены на связи между микроботами, например на групповой связи 1024 роботов в Гарвардском университете, которые могут собираться в конструкции различных форм. Другой случай - производственные микророботы от компании SRI International для программы Агентства оборонных перспективных исследовательских разработок (АОПИР) «Минипредприятие: управление перспективными исследовательскими программами в крупных масштабах», которые могут создать структуру, сочетающую небольшой вес и высокую прочность.

В 2020 году были изобретены ксеноботы — микророботы, построенные из биологических тканей при полном отсутствии металла и электроники. Биоразлагаемость и биосовместимость ксеноботов, а также отсутствие в них источников электропитания позволили избежать некоторых технологических и природных ограничений, присущих традиционным микророботам.

Вопросы разработки

Префикс «микро», используемый в значении «маленький», создает путаницу относительно размеров микророботов. Избежать ее позволяет систематизация шкал длины. Таким образом, нанороботы будут иметь характерные размеры или ниже 1 микрометра, или могли бы управлять компонентами в диапазоне от 1 до 1000 нм. Микроробот обладал бы характерными размерами меньше, чем 1 мм, а миллиробот имел бы размер меньше, чем см, миниробот — менее 10 см (4 дюйма), и маленький робот будет обозначен, как имеющий размер менее 100 см (39 дюймов).

Из-за небольшого размера микророботов, их создание потенциально очень дёшево, и они могут быть использованы в больших количествах (множество [рой] роботов) для изучения условий, которые слишком малы или могут быть слишком опасны для людей или больших роботов. Ожидается, что использование микророботов будет полезным в таких видах деятельности, как поиск выживших в разрушенных зданиях после землетрясений или в медицинских целях, для изучения пищеварительного тракта. Чего микророботам не хватает в силе или вычислительной мощности, они могут восполнить с помощью большого их количества.

Одной из основных проблем в разработке микророботов является достижение максимальной работоспособности, используя ограниченное электропитание. В микророботах можно использовать батарейный источник питания с малой удельной массой, такой как миниатюрный элемент питания «таблетка», или использовать энергию окружающей среды в виде вибрации или световой энергии. Также в настоящее время микророботы используют биологические моторы как источники питания, например жгутиковые моторные белки Serratia marcescens, тянущие химическую энергию из окружающей биологической жидкости для приведения в действие автоматизированное устройство. Эти биороботы могут быть непосредственно контролируемы стимулами, такими как хемотаксис или гальванотаксис с несколькими доступными схемами управления. Популярной альтернативой батареи на борту является чтобы привести роботов, используя внешне индуцированное власть. Примеры включают использование электромагнитных полей, ультразвука и света, чтобы активировать и контролировать микророботов.

Технологии производства Аддитивные технологии занимают всё более значимое место в производстве микророботов благодаря геометрической свободе и трёхмерному характеру формирования структур, что выгодно отличает их от альтернативных методов микрофабрикации (напыления под скользящим углом, фотолитографии, электроосаждения, химического синтеза, самосборки и шаблонных подходов). Современный набор технологий охватывает струйную печать, микроэкструзию, селективное лазерное спекание (СЛС), стереолитографию (СЛА), цифровую обработку светом (DLP), непрерывное производство на жидкостной границе раздела (CLIP), двухфотонную литографию (TPL) и лазерно-индуцированный прямой перенос (LIFT). Перечисленные методы существенно различаются по разрешению, скорости печати, доступному ассортименту материалов и стоимости оборудования, что определяет область их применимости: струйная печать и микроэкструзия пригодны для крупных элементов, сенсоров и MEMS-компонентов, но ограничены разрешением порядка десятков микрометров; СЛА и DLP применяются преимущественно для изготовления форм, каркасов и микрофлюидных устройств; CLIP повышает скорость печати за счёт «мёртвой зоны», ингибируемой кислородом, но требует низковязких фотополимеров; СЛС обеспечивает изотропные механические свойства и прямую печать металлами и полимерами, однако ограничен качеством порошков.

Наиболее перспективной технологией для микроробототехники считается двухфотонная литография, обеспечивающая субмикрометровое разрешение (размер элемента менее 50 нм, латеральное разрешение менее 150 нм) и совместимая с расширяющимся спектром функциональных фоторезистов, что позволяет прототипировать сенсоры и MEMS-структуры; её основные ограничения связаны с высокой стоимостью оборудования и низкой скоростью поточечного экспонирования, частично преодолеваемой такими подходами, как метод оптической силовой кисти (OFB), снижающий минимальную ширину линии до 20 нм. Технология LIFT обладает потенциалом высокопроизводительной печати широким набором материалов, включая металлические наночастицы и биоматериалы, однако сдерживается требованиями к малому расстоянию донор–акцептор и слабой адгезией перенесённого материала. Развитие крупноформатных микропринтеров (LAMP), плазменной сфероидизации порошков для СЛС и новых методов фотополимеризации указывает на дальнейшее расширение применимости аддитивных технологий в микромасштабе и постепенное снятие существующих ограничений по разрешению, скорости и совместимости материалов.

Примечания

Ссылки "Microrobotic Ballet". Duke University. 2008. Retrieved 2014-08-24. Hauert, Sabine (2014-08-14). "Thousand-robot swarm assembles itself into shapes". Ars Technica. Retrieved 2014-08-24. Misra, Ria (2014-04-22). "This Swarm Of Insect-Inspired Microbots Is Unsettlingly Clever". io9. Retrieved 2014-08-24. Temple, James (2014-04-16). "SRI Unveils Tiny Robots Ready to Build Big Things" re/code. Retrieved 2014-08-24. "Remotely powered self-propelling particles and micropumps based on miniature diodes".

Категория:Роботы