1. Рой дрібних роботів
2. невидима сила
3. ведені магнітом
4. У лазерної мережі
5. Гарячі щипці
6. Повзти в утробі
7. MEMS: технологія на майбутнє
8. справа техніки

Масштабування - найважливіше поняття для перспективних напрямків робототехніки. У наше століття літаків-безпілотників і електронних бабок літаючими роботами нікого не здивуєш. Але якщо ми хочемо, щоб роботи майбутнього пролітали «крізь вушко голки», то їх доведеться побудувати на зовсім інших принципах. Зменшеними копіями існуючих примірників обійтися навряд чи вдасться.

Якщо використовувати традиційний підхід, то літаючого робота субміліметрових масштабів доведеться оснастити джерелом енергії, двигуном тієї чи іншої конструкції, органами управління, бортовим комп'ютером, системою орієнтації, а також приймально-передавальними пристроями для отримання команд і зворотного зв'язку. Природно, знадобиться всі ці елементи зробити настільки мініатюрними, наскільки це можливо в рамках загальних габаритів проектованої мікромашини. На сучасному технологічному рівні таке завдання поки нерозв'язна.

Рой дрібних роботів

Тим часом про зграї мікроскопічних літаючих роботів марять не тільки творці голлівудських блокбастерів, а й цілком собі статусні вчені, які бачать для таких пристроїв чимало практичних застосувань: профілактичні та ремонтні роботи в важкодоступних вузлах машин, обстеження тріщин і порожнин в стінах і опорах будівель, промисловий монтаж мікроконструкції, збір розвідувальної інформації або, наприклад, медицина. Не порушуючи цілісності людського тіла, мікроскопічні машини могли б збирати дані для діагностики, доставляти ліки строго в задану точку організму, проводити мікрохірургічні операції.

Політ крихти Траєкторія польоту мікропланера вагою 3 м

Але якщо масштабувати сучасних літаючих роботів до субміліметрових розмірів поки не вдається, чи не можна вирішити проблему якимось нетрадиційним способом? Схоже, намацати нестандартне рішення вдалося співробітникам Лабораторії магнітної левітації (Університет Ватерлоо, Канада) під керівництвом професора Берада Хамеса. Суть нового підходу полягає в тому, щоб по максимуму «розвантажити» мікромашину, віддавши їй лише виконавчий пристрій - маніпулятор. Все інше - джерело енергії, двигун, систему орієнтації - залишити «за бортом». Чи можливо таке? «Так, - відповідає Берхар Хамеса, - для цього необхідно лише використовувати силу магніту».

невидима сила

«Летючого робота» з Університету Ватерлоо не можна назвати в повному розумінні роботом, якщо під цим словом розуміти автономну машину, оснащену елементами штучного інтелекту. Скоріше мова йде про роботизованому комплексі, одним з елементів якого є левитирующий маніпулятор. Можна сказати, що це той самий рідкісний випадок, коли «тіло» робота відокремлено від його «пальців» порожнечею.

Тривимірний магнітний двигун Роботи, побудовані на принципах магнітної левітації, з часом стануть ще миниатюрнее. Правда, область його польотів обмежиться робочим простором, що знаходяться безпосередньо під блоком магнітів, які закриті полюсним наконечником. В експериментальній установці координати левітірующіе робота відстежуються за допомогою лазерних мікрометрів.

Головним несучим елементом всієї конструкції є станина (yoke) - поставлена ​​вертикально прямокутна рама. Одне з довгих (вертикальних) ребер рами розімкнуте - власне, в цьому розриві і виявиться «зона польотів». Прямо над нею до станини кріпиться блок електромагнітів. Сам блок, як і електромагніти, має круглу форму, тому магніти розміщуються всередині нього «ромашкою» - наприклад, один - в центрі, а шість інших навколо нього, по колу. Звернена вниз сторона блоку електромагнітів закрита круглою металевою пластиною. Вона тут зовсім не для краси, мова йде про суттєве елементі всієї конструкції - полюсному наконечнику. Його завдання - згладжувати нерівності результуючого магнітного поля, що виникає в результаті дії кількох електромагнітів. Фактично полюсний наконечник покликаний фокусувати і направляти енергію магнітного потоку.

Як кажуть розробники системи, аналогічний блок магнітів може встановлюватися і на відповідь, нижньої частини станини, проте в експериментах, проведених сьогодні, використовується поки тільки верхній блок. Вся конструкція являє собою свого роду замкнене магнітний контур - для цього і станина, і полюсний наконечник виготовлені з м'якого (в магнітному сенсі) заліза. Це дозволяє підсилити потужність магнітного поля, що виробляється електромагнітами.

ведені магнітом

Ідея пересувати микророботов зовнішнім впливом магнітного поля не є ексклюзивним ноу-хау дослідників з університету Ватерлоо. Останнім часом в наукових публікаціях з'явилися повідомлення про проекти схожої спрямованості.
Є навіть ті, хто пішли навіть далі канадців, якщо говорити про створення роботів мікроскопічних розмірів. Дослідники з Федерального технологічного інституту в Цюріху (Швейцарія) створили металеву копію бактерії - шлункової палички E.Coli. Форма бактерії - вона має вигляд спіралі з характерним хвостиком-жгутиком - здалася вченим досить вдалою для наслідування: адже роботу треба було пересуватися всередині рідин організму, з чим прекрасно справляється бактерія, що повзе вперед подібно пляшкового штопору, як би вкручуючи в середу. І бактерії, і зроблені по їх подобою роботи не видно неозброєним оком, так як їх довжина обчислюється всього лише десятками мікрометрів. Мікро-роботи, що отримали назву «штучних бактеріальних джгутиків» управляються зовнішнім магнітним полем - зрозуміло, що при таких розмірах потужність цього поля не повинна бути занадто великою. Роботів-бактерій вже вдається рухати вперед, назад, вгору, вниз, а також крутити в усіх напрямках. Однак доведеться ще вирішити питання їх точного позиціонування - адже очевидно, що єдиний сенс створення такого роду об'єктів - у виконанні дуже делікатних медичних операцій, де буде потрібно мікронна точність.
Експерименти з роботами субміліметрових розмірів, що пересуваються під впливом магнітного поля, вже кілька років ведуться і в стінах університету Carnegie Mellon. Магнітний мікро-робот Mag-μBot створений в рамках програми модульного роботостроения. Крихітні роботи одного разу, як мріють дослідники, зможуть стати будівельним матеріалом для так званої штучної реальності, або, іншими словами, для моделювання твердих тривимірних об'єктів.

Отже, між верхньою і нижньою частинами разомкнутого ребра станини, прямо під блоком електромагнітів знаходиться робоча область, яку ми вже назвали «зоною польотів». Саме туди запускається мініатюрне левітірующіе пристрій, що має на борту постійний магніт. Його поле, вступаючи у взаємодію з зовнішнім полем, що генерується електромагнітами, створює магнітний момент. Сила магнітного тяжіння компенсує вага пристрою, і воно зависає в повітрі. Але не тільки.

Якщо одночасно на котушках всіх вхідних в блок електромагнітів змінити параметри струму на однакову величину, то сила магнітного тяжіння зросте або, навпаки, впаде і левітірующіе пристрій зробить рух по вертикалі - вгору або вниз. Якщо ж параметри поля, створюваного одним або декількома електромагнітами, будуть змінюватися щодо властивостей поля, що виробляється іншими електромагнітами, фокус результуючого магнітного поля, що створюється полюсним наконечником, буде зміщуватися відносно горизонтальної площини, захоплюючи за собою левитирующий об'єкт з постійним магнітом на борту. Попросту кажучи, варіюючи напруга, що подається на котушки електромагнітів, ми отримуємо можливість переміщати левитирующий об'єкт в просторі по всіх трьох осях координат. Тобто ми маємо лінійний, або, навіть можна сказати, тривимірний, електродвигун, в якому роль статора виконує станина з електромагнітами, а функція ротора віддається літаючому роботу.

У лазерної мережі

Таким чином вдалося вирішити відразу два завдання, пов'язані з мініатюризацією літаючих роботів, - левітірующіе пристрій професора Хамеса позбавлене як двигуна, так і, природно, джерела живлення для нього. Однак це ще півсправи.

Перш ніж літаючим маніпуляторам будуть довірені прецизійна збірка або, скажімо, мікрохірургічні операції, необхідно домогтися ідеальної точності позиціювання, що при відсутності жорсткої зв'язки між керуючою системою і маніпулятором надзвичайно складно.

Зокрема, комп'ютер, керуючий котушками електромагніту, а значить, і самим маніпулятором, повинен постійно отримувати точну інформацію про місцезнаходження об'єкта, з тим щоб миттєво коригувати можливі відхилення від заданої траєкторії руху.

Система визначення положення левітірующіе об'єкта є на сьогоднішній день досить громіздку і, як видається, не дуже практичну конструкцію. Навколо робочої області (яка, як ми пам'ятаємо, розташована в «розриві» станини) змонтована кільцеподібна восьмикутна платформа. На ній встановлено три лазерних мікрометра, що складаються з розташованих один навпроти одного приймача і передавача. Генеруються мікрометрами лазерні промені сканують робочу область по всіх осях координат з частотою 1200 гц, відстежуючи таким чином переміщення пристрою. При цьому сам левитирующий об'єкт задіяний в цій системі виключно в пасивному режимі.

Гарячі щипці

Однак головне, що відрізняє літаючого робота від літаючої болванки, - це робочий інструмент. У самих ранніх експериментах в робочій області левітіровать укладений в пластиковий корпус циліндричний магніт з діаметром поперечного перерізу і висотою 10 мм і вагою 6,59 р Наступний об'єкт був влаштований куди складніше. У ньому вже з'явилися магнітна головка (блок з трьох крихітних постійних магнітів), відділення для батарей і мікросхеми з інфрачервоним датчиком, а також власне маніпулятор, тобто найпростіші «щипці» з тонкого дроту. За умовчанням вони перебували в зімкнутому стані.

Як тільки інфрачервоний датчик вловлював поданий ззовні сигнал, електронна схема замикала ланцюг, подаючи напругу з батарейок на пружинку, зроблену зі сплаву, що володіє «пам'яттю форми». Пружинка розтискати, розсуваючи «щипці».

Літаючі мікророботи відправляться туди, де людині не розвернутися.

Все це очевидно віддає єрессю, так як з появою на борту електроніки і джерела енергії чистота ідеї явно виявилася під загрозою. Тому в наступному поколінні левітірующіх роботів, які народилися в лабораторії професора Хамеса, вже немає ні батарей, ні мікросхем. Зате полку пристроїв, що оточують робочу область, прибуло - тепер там з'явилася мініатюрна лазерна гармата, що стріляє своїм променем в певну точку на поверхні робота. В результаті пострілу «щипці» маніпулятора, зроблені тепер з особливого полімеру, злегка нагріваються і розпрямляються. Якщо ж лазер припиняє роботу, вони змикаються знову. В ході експериментів такий робот, що важить менше 1 г, підчіплює маніпулятором шматочок найтоншого скловолокна, проносить його на відстань менше 1 мм і знову опускає на поверхню.

Повзти в утробі

Як свідчать самі канадські вчені, в майбутньому результати їх роботи можуть знайти різноманітні застосування. Наприклад, левітірующіе машини, яким, на відміну від їх крилатих побратимів, для польоту не потрібно повітря, зможуть працювати навіть в вакуумних камерах, беручи участь в лабораторних дослідах або проводячи збірку мікроелектронних пристроїв. Однак пріоритетом все ж вважається використання таких роботів в медицині. Розглядається навіть можливість проведення з їх допомогою маніпуляцій на клітинному рівні. В якості робочих інструментів роботів оснастять Мікроножниці, мікроскальпелі або Мікроголки.

У зв'язку з цим виникає кілька додаткових питань, які ми адресували безпосередньо професору Хамеса.

По-перше, знову з'являється проблема масштабування. Розміри левітірующіе робота, який проходить випробування в Університеті Ватерлоо, обчислюються міліметрами. Однак для ефективної і нетравмірующей роботи всередині людського організму машину потрібно зменшити до субміліметрових масштабів. Чи реально це і за допомогою яких технологій подібна мета може бути досягнута? «Роботи по зменшенню масштабів робота вже ведуться в нашій лабораторії, - відповідає Берад Хамеса. - Зараз ми створюємо субміліметровий зразок, побудований на технології MEMS - мікроелектронномеханіческіх систем ».

Мікроелектронномеханіческімі системами називаються механізми мікронного масштабу, змонтовані на електронних чіпах і інтегровані з ними (див. Врізку). Зі сказаного випливає, що медичні мікророботи будуть дещо складніше свого нинішнього прототипу і у них на борту все ж знайдеться місце електронним пристроям.

MEMS: технологія на майбутнє

MEMS - мікроелектронномеханіческіе системи (Microelectromechanical systems) - одне з піонерських напрямків сучасної напівпровідникової промисловості. Пристрої зроблені за технологією MEMS працюють в побутових і вимірювальних приладах, але також встановлені на автомобілях і в літаках. Сенс технології - в об'єднанні на одній кремнієвій підкладці мікроелектронної схеми (чіпа) і мікромеханічних деталей і пристроїв. Основна сфера застосування виробів MEMS - різноманітні датчики типу акселерометрів, а також датчиків тиску або мікрогіроскопов. У сучасних автомобілях у вигляді MEMS-пристроїв виготовлені датчики удару, що пускають в хід системи безпеки. Існують також пристосування, призначені для проведення біологічних і хімічних експрес-аналізів. Крім скорочення MEMS також поширене скорочення MOEMS, що позначає пристрої з оптичними елементами ( «O» - перша буква слова «optic»). Вони застосовуються в якості оптичних перемикачів для оптоволоконних мереж передачі даних. Ну а найбільш «близькі до народу» мікроелектромеханічні датчики у всіляких ігрових пристроях, що дозволяють, наприклад, боксувати з віртуальним противником на екрані телевізора або ганяти по лабіринту кульку на дисплеї комунікатора. MEMS не варто змішувати з нанотехнологіями, зокрема з разрабативаемі пристроями наномеханіческой пам'яті - деталі мікроелекронномеханіческіх систем мають розміри в діапазоні від 1 до 100 мікрометрів, тобто значно більше нанооб'єктів.

По-друге, як відомо, людське тіло - аж ніяк не порожній посудину і порожнин, в яких мікромашин могла б «літати», там практично немає. «Справді, - каже керівник лабораторії, - проникнувши в людське тіло, робот буде пробиратися всередині шлунка, кишечника або кровоносних судин, долаючи тертя і чинячи опір кровотоку. Але сили виробляється генератором магнітного поля виявиться для цього цілком достатньо ».

Ну а що ж буде з лазерами? Зрозуміло, що, як тільки мікроробот зникне в надрах людського організму, системи орієнтування та управління маніпулятором, засновані на роботі лазера, просто перестануть працювати. Зрозуміло, канадські розробники не могли не врахувати цей фактор. «На борту робота буде завжди присутній постійний магніт, - пояснює Берад Хамеса. - Відстежувати положення машини також можливо завдяки невеликим змінам зовнішнього магнітного поля, які будуть відбуватися в результаті просування усередині організму ».

справа техніки

На шляху до практичного застосування магнітолевітуючих микророботов необхідно вирішити ще чимало проблем інженерного характеру, зокрема, належить придумати інший спосіб приведення в дію маніпулятора - можливо, в тій чи іншій мірі розробникам доведеться повернутися до схеми, заснованої на електриці. Багато що потрібно зробити і для збільшення точності позиціювання інструменту: тут має бути вдосконалити як систему визначення положення робота в просторі, так і програмне забезпечення, що керує електромагнітами. Але, як то кажуть, дорогу здолає той, хто йде. Головне, що одна з найбільш зухвалих ідей останнього часу мало-помалу знаходить матеріальне втілення. Решта - справа техніки. І часу.

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2009 ).