MEMS (mikroelektromechanické systémové mikroroboty)

Samozřejmě, že nejde jen o ten jejich tanec. To je jen začátek. Jde o tanec, který by mohlo vyvolat jejich zavedení do běžné praxe a věřte, že se naskýtá spousta aplikací, na které by se mikroskopické roboty, schopné samostatného manévrování bez jakéhokoliv zjevného řízení, pracující v organizovaných „týmech“ mohly hodit.

Zvětšit obrázek

Profesor Bruce Donald: „Nejprve jsme chtěli postavit něco jako auto, které by mohlo jezdit v mikroskopickém měřítku. Zatím jsme spíš dokázali vytvořit první mikroskopickou dopravní zácpu.“

„Je to úžasné dokázat sestrojit a ovládat tak drobounké věci,“ říká Bruce Donald, profesor počítačové vědy a biochemie na Duke University. „Každý mikrorobot má tvar podobný špachtli, ale v rozměrech pouhých mikrometrů, tedy miliontin metru. Jsou téměř stokrát menší než jakýkoliv předchozí robotický návrh svého druhu na světě a váží ještě méně,“ dodává Donald.

Formálně známí jako mikroelektromechanické systémové (MEMS) mikroroboty jsou zařízením vpravdě liliputánským. Zatím se pohybují v interiéru laboratoře na svém malém jevišti.
Na videozáznamech vyrobených Donaldovým týmem, můžete vidět dva mikroroboty, které převádí piruety v rytmu Straussova valčíku na „tanečním parketu“ velikosti jednoho čtverečního milimetru. Video vám dá představu, jak to může vypadat.

Video

Video s vysokým rozlišením (150MB)

Zvětšit obrázek

Ukázkový mikroskopický experiment používá zařízení 1, 3, 4 a 5 zaznamenaný prostřednictvím optického mikroskopu. Roboty jsou zpočátku umístěny v rozích obdélníka se stranami 1 x 0,9 mm. Kompletní experiment je rozdělen do tří fází. Během fáze 1 zařízení 4 a 5 zajíždí společně na „parkoviště“ aby vytvořily základní stabilní tvar. Ve fázi 2 zařízení 3 „parkuje“ v základním stabilním tvaru, zatímco během fáze 3 se zformují do jednotného šiku. (Credit: Image courtesy of Duke University)

Poslední úspěch výzkumné skupiny spočívá v  získání pěti zařízení, které skupinově manévrují ve spolupráci s jedním řídícím systémem. „Naše práce tvoří první implementaci nepřipoutaného multi-mikrorobotického systému,“ napsal Donaldův tým ve zprávě, která bude prezentována v červnu 2008 během Hilton Head Workshop on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems v Jižní Karolíně. Komplexnější detaily o tom, jak vědci získali tyto mikrosestavy budou publikovány později v  Journal of Microelectromechanical Systems.

Donald pracoval na různých verzích MEMS mikrorobotů od roku 1992, zpočátku na Cornellu a potom na Stanfordu a Dartmouthu, před tím než přišel na Duke. „První verzí bylo seskupení napodobující řasinková ramena mikroorganismů, které mohly pohybovat objekty, jako jsou mikročipy na jejich vrcholu, stejným způsobem, jakým zpěvák v rockové aréně surfuje davem,“ řekl. „Dokázali jsme umístit 15 tisíc takových řasinek na čtvereční palec.

Zpráva z února 2006 vydaná v Journal of Microelectromechanical Systems, kterou napsali Donald, Paprotny, Levey a další vědci, podrobně popsala základy vzoru: zařízení asi 60 mikronů široké, 250 mikronů dlouhé a 10 mikronů vysoké poháněné a ovládané pomocí elektrifikovaného povrchu. Posun po takovém povrchu, pomocí pohybu podobnému píďalce, umožňuje mikrorobotům postupovat v „krůčcích“ o „délce“ pouhých 10 až 20 miliardtin metru, ale ti jsou schopni je opakovat 20 tisíckrát za vteřinu.

Mikroroboty mohou být tak malé, protože nejsou zatíženy něčím takovým, jako jsou vodící lana připojená k externímu řídícímu systému. Jejich stavba vedená technikou podobnou té při výrobě mikročipů, umožňuje, aby byl každý navržen tak, aby reagoval odlišně na stejný jednoduchý „globální řídící signál“.
„Tento globální řídící systém je blízký způsobům reakce proteinů v buňce na chemické signály,“ řekl Donald, který také používá počítačové algoritmy ke studiu procesů v biochemii a biologii.

Ve svých nových zprávách, tým ukazuje, že pět z mikrorobotů se může společně pohybovat, po předem plánovaných drahách, kdy každý je postaven v trošku odlišné velikosti a ovladatelnosti. Tato choreografie načrtnutá pomocí matematiky umožnila, že se se mikrozařízení nakonec shromáždila do skupiny mikroskopického davu, který by se měl dát  nastavit i pro nějakou užitečnější činnost.

Že to celé nebylo vůbec jednoduché, dokladuje doba, kterou se úkolu věnují. Vytvoření mikrorobotu, který může fungovat bez vodiče, zabralo Donaldovi a jeho kolegům čas od roku 1997 do roku 2002, další tři roky vytvoření zařízení umožňující jejich globální řízení a další tři roky jim trvalo nezávislé manévrování, více než jednoho mikrorobotu současně.

„Nejtěžší věcí bylo dosáhnout toho, aby rozličné mikroroboty mohly pracovat nezávisle, i když získávají stejnou energii a využívají stejné řízení,“ řekl Donald.

Donald se svými kolegy plánují možnost aplikace manévrovatelných mikrorobotů pomocí elektrod tenkých miliardtiny metru s cílem využít je ke stimulaci nervových buněk. Tento výzkum financuje Duke Institute for Brain Sciences.

Zdroj: Duke University.