За последние годы в области микроробототехники был достигнут огромный прогресс. Принципы, регулирующие проектирование таких субмиллиметровых роботов, основаны на понимании микромасштабной физики, производства и новых стратегий управления.
В связи с последними достижениями в области микро- и нанотехнологий и растущим спросом на новые микросистемы для применения в медицине, биотехнологии, производстве и сетях мобильных датчиков, создание крошечных мобильных роботов, которые могут получать доступ к закрытым небольшим пространствам вплоть до микронного масштаба, например, внутри человеческого тела и устройств с микрофлюсом и могут управлять и взаимодействовать с микро/наноразмерными объектами, стало серьезной проблемой.
Поскольку для взаимодействия с такими крошечными объектами и прямого доступа к таким крошечным пространствам недостаточно человеческих или макророботизированных датчиков, точности и размера, микроробототехника превратилась в новое поле робототехники, расширяющее наше взаимодействие и возможности исследования на субмиллиметровые масштабы. Кроме того, мобильные микророботы могут быть изготовлены экономически эффективно в больших количествах, где большое количество микророботов может позволить создавать новые массово параллельные, самоорганизующиеся, воспроизводимые, ройные или распределенные системы. Для этих целей в последнее десятилетие многие группы предлагают различные не связанные между собой мобильные микророботизированные системы.
Такие не связанные между собой микророботы могут использоваться во многих новых областях, таких как:
- минимально инвазивная диагностика и лечение внутри организма человека,
- биологические исследования или биоинженерия в каналах микрожидкости,
- настольное производство микросхем и сети мобильных датчиков для мониторинга окружающей среды и здоровья.
Стандартизированного определения термина "микроробот" не существует. Фактически, заявленные размеры микророботов варьируются от единичных мкм до сантиметровой шкалы. Однако один общий подход заключается в определении микроробота как существующего в диапазоне размеров до 1 мм.
- В некоторых случаях в качестве решающего аспекта принимается масштаб компонентов, которым является микронный масштаб, а в качестве микророботов могут выступать мобильные роботы миллиметрового или сантиметрового масштаба.
- В других случаях основной упор делается на микронную шкалу, когда мобильные роботы, способные вписаться в пространство размером менее миллиметра, выступают в роли микророботов.
В этой статье последний используется для определения микророботов, поскольку общий размер диктует условия, в которых роботы могут получить доступ, а также рассказывает нам кое-что об их возможностях. С другой стороны, более подходящее определение при изучении новых беспроводных схем локомоции может включать в себя типы физических взаимодействий, которые доминируют в движении и взаимодействии робота. В крупногабаритных или миллиметровых/сантиметровых роботах доминируют инерциальные и другие объемные силы, в то время как в движении микророботов преобладают силы, связанные с поверхностью, включая трение, адгезию, сопротивление и сопротивление кушеткам в микромасштабе. Нижняя граница микророботов также может наступить тогда, когда предположения о непрерывности вещества утратят свою актуальность.
При размерах менее десятков мкм такие эффекты, как броуновское движение и химические взаимодействия, могут привести к стохастическим описаниям поведения движения. Это сфера нанороботов, и она не будет рассматриваться в данной статье. Таким образом, рассматриваем микророботов как находящихся примерно в диапазоне размеров от одного до сотен мкм, в которых доминируют физические силы и эффекты микромасштабного масштаба.
Этот диапазон размеров создает новые серьезные проблемы в производстве, управлении и электропитании, которые не встречаются в более крупных традиционных робототехниках. Эта шкала размеров особенно интересна тем, что в поведении начинают доминировать новые физические принципы - плюсы. Чем меньше становится, тем сильнее меняется баланс различных сил, тем больше трения и сцепления, а влияние веса и инерции заметно снижается. Другие изменения в механике жидкости, стохастические движения и более короткие временные рамки также бросают вызов естественным инженерным представлениям о том, как роботизированные элементы перемещаются и взаимодействуют. Эти физические эффекты необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации роботов в небольших масштабах.
По сравнению с другими роботизированными системами, микророботы могут быть изготовлены недорого и массово для потенциально параллельных приложений.
Однако при проектировании и управлении ими возникает ряд проблем, таких как:
- неинтуитивно понятные физические силы,
- ограниченные возможности питания и управления,
- значительные производственные ограничения,
- трудности с локализацией таких крошечных роботов.
Область микроробототехники особенно интересна в связи с ее потенциальным применением в здравоохранении, биоинженерии, микрожидкости, мобильных сенсорных сетях и на микропредприятиях.
Краткая история микроробототехники
Достижения и расширение использования микроэлектромеханических систем (МЭМС) с 1990-х годов привели к появлению не связанных между собой микророботов. Методы изготовления МЭМС позволяют изготавливать точные детали из широкого спектра материалов, которые могут быть полезны для функционально ионизированных микророботов. В последние несколько лет наблюдается всплеск активности в работе микроробототехники, и поле относительно новое и быстро растет.
В народной культуре область микроробототехники знакома многим благодаря фантастическому фильму 1966 года "Фантастическое путешествие", а позднее и фильму 1987 года "Внутреннее пространство".
В этих пленках миниатюрные бригады подводных лодок выполняют неинвазивные операции. Первые исследования у не привязанных роботов с использованием принципов, которые переросли в принципы действия микророботов, были проведены совсем недавно, например, с помощью винта с магнитным приводом, который проходил через ткани.
Среди других значимых достижений в области микроробототехники без привязки к сети - исследование бактерий, вдохновляемых плаванием, бактериальных бусин, управляемых электростатических микророботов, микророботов с лазерным приводом, магниторезонансной томографии (МРТ) и магнитных бусин с никелевым приводом (23 мм). За этими первыми исследованиями последовали и другие новые методы приведения в действие, такие как винтовая силовая установка, ползучие микророботы, магнитотаксические стаи бактерий в виде микророботов, микророботы с оптическим управлением и микророботы, управляемые напрямую передачей импульса с направленного лазерного пятна, среди прочих.
В качестве дополнительной движущей силы развития мобильных микророботов в 2007 году начался конкурс "Мобильная микроробототехника", спонсором и организатором которого выступил Национальный институт стандартов и технологий (НИСТ). Это ежегодное мероприятие было перенесено на Международную конференцию по робототехнике и автоматизации и ставит перед командами задачи по обеспечению мобильности и манипулированию с помощью не привязанного микроробота размером менее 500 мкм с одной стороны. Конкурс подтолкнул несколько исследовательских групп к проведению исследований в области микроробототехники и помог определить наиболее острые проблемы в области микроробототехники.
