Муравей-терминатор
Писатели и кинематографисты не раз фантазировали на тему использования микророботов. Ученые в своих исследованиях подошли к границе, за которой отчетливо вырисовывается перспектива массового производства самых разных роботов, которых объединяет одно – крохотные размеры. Микроробототехника изменит мир, обеспечив легкое обслуживание и ремонт труднодоступных деталей сложных механизмов и новые технологии в медицине.
Самый короткий путь к созданию эффективных микророботов – подражание живой природе. Однако чтобы научиться подражать природе, нужно провести огромное количество исследований в области механики и материаловедения. Для решения столь сложных задач свои усилия объединяют ученые разных национальностей. Еще в 1982 году представители стран Европы, Австралии, Бразилии, Канады, Китая, Кореи, СССР, США и Японии, собравшись в Версале, разработали Международную программу по перспективной робототехнике. Сегодня Россия играет ключевую роль в реализации этой программы. В апреле 2003 года очередная научная конференция, посвященная микророботам, проходила в Москве.
В трубе и в желудке
С помощью крохотных роботов можно будет незаметно контролировать практически все, начиная от военных лагерей противника и заканчивая пожароопасными участками в парках с аттракционами. Наверное, одна из первых задач, за которую возьмутся микророботы, – это исследования и ремонт сложных промышленных объектов – таких, например, как система охлаждения АЭС, состоящая из тысяч труб. Дальше других в разработке подобных роботов продвинулись ученые из Института проблем механики РАН. Уже существуют роботы для труб диаметром свыше 9 см, созданные в НПО «Тарис». Они могут передвигаться с помощью гусениц и предназначены для инспектирования и несложного ремонта труб.
С починкой труб диаметром менее 1 см дело обстоит сложнее. В Японии создан микроробот, представляющий увеличенную копию личинки майского жука. Он способен ползком перемещаться внутри тонких труб и с помощью сенсоров проверять наличие микротрещин и других повреждений. В США аналогичный робот размером в 1,5 см перемещается на крошечных колесах. Правда, к сожалению, подобные роботы не могут двигаться по вертикальным трубам. Сегодня в Институте проблем механики РАН разрабатываются роботы с двухтактным способом движения. Они отталкиваются от противоположных стенок сосуда и таким образом могут перемещаться даже в вертикальных трубах. Лабораторные образцы таких роботов уже созданы, скорость их движения – примерно 1 м в минуту, а переносить они могут до 0,5 кг груза. Предполагается, что робот будет работать от сети, поскольку маленькую и мощную батарейку, которая могла бы обеспечить его энергией, ученые пока не создали. Впрочем, использование электропровода имеет свои плюсы: в случае поломки инженеры смогут вытащить робота из трубы за провод подобно тому, как охотник вытаскивает фокстерьера из норы за хвост. Институт создал также роботов-гусениц, способных буквально «протискиваться» сквозь извивающуюся тонкую трубу.
NASA также активно интересуется разработками в области микро-робототехники. Небольших роботов проще вывести в космос, они требуют меньше энергозатрат, а, по сути, могут решать те же задачи, что и тяжелые спутники и луноходы.
Когда микророботы станут совсем крохотными и «научатся» работать без поломок, их можно будет использовать в медицине. Роботы станут путешествовать по полостным органам человека и выполнять те операции, которые им поручат хирурги. Например, смогут извлекать осколки при ранениях, сшивать ткани, «штукатурить» язву желудка, делая попутно фотосъемку «боевого поля».
Миниатюрные запчасти
Чтобы произвести сложное механическое устройство размером в несколько миллиметров и менее, надо научиться оперировать его составными частями в нанометровом масштабе. Сегодня есть несколько технологий производства микроскопических конструкций. Так, ученые научились синтезировать нанотрубки и фуллерены (конструкции из нескольких десятков молекул углерода). Теперь остается узнать, из каких нанотрубок или фуллеренов лучше делать «шестеренки», а из каких – «коленчатые валы», чтобы потом собрать это в единый механизм, снабдив его интеллектуальным чипом. Сконструировать нужный компонент можно, воспользовавшись исследованиями физиков из Института спектроскопии РАН в Троицке – здесь определили критерии, по которым можно рассчитать геометрию деталей в зависимости от структуры компонента.
Еще одна технология производства деталей толщиной в человеческий волосок разрабатывается учеными из США. Она предполагает использование тех же приемов, что и при производстве микросхем – напыления слоев материала, литографии и вытравливания «ненужных» участков.
МНТК «Робот» предлагает альтернативную технологию, основанную на применении стеклянных капилляров. Идея очень проста: если вытягивать стеклянную трубочку, ее поперечный диаметр будет уменьшаться. При этом, правильно подобрав скорость вытягивания, можно избежать поломки трубочки и сохранить ее форму. Чтобы произвести микроробот, из разных стеклянных капилляров и волокон делают заготовку в виде большого стеклянного пучка. Фактически деталь собирают из по-особому расположенных маленьких трубочек с элементами, которые потом будут растворены специальным химическим раствором для образования необходимых пустот. Затем деталь нагревают и вытягивают в нить. Эта процедура проводится в несколько приемов, в результате вытянутые детали соединяют друг с другом. Таким образом деталь можно уменьшить до диаметра волокна в 100 нанометров.
Нарезав вытянутую деталь на кусочки нужного размера и вытравив растворимые части, получают компоненты будущего микроробота. Уже сегодня в МНТК «Робот» разрабатывают конструкции размером в несколько сантиметров, причем ученые научились делать из микроволокон простейшие аккумуляторы, пропеллеры, микромоторы и даже ракетный двигатель.
Лапы, крылья и глаза
При создании микророботов инженеры тщательно изучают представителей фауны, ведь природа – самый лучший изобретатель, ее «открытия» проходят испытания и эволюционируют уже сотни миллионов лет. Особый интерес для робототехников представляют членистоногие.
Например, в Мельбурнском университете (Австралия), разрабатывающем роботов для передвижения по неровным поверхностям, обратили внимание на хвост рака. Этот многочленный рычаг можно использовать как парус и весло, причем обе функции имеют высокий КПД.
В Бьелефельдском университете (ФРГ) предложили шестиногий аппарат, внешне напоминающий палочника – насекомое с тонкими и длинными ногами, медленно кочующее по веткам деревьев. Чтобы управлять механизмом с тремя суставами на каждой ноге, нужен компьютер и сенсоры. С их помощью «искусственное насекомое» регулирует длину шага и рассчитывает точки, куда в определенный момент можно поставить ногу.
Чтобы микророботы в труднодоступных местах действовали самостоятельно, в них необходимо заложить способность «видеть» и анализировать «увиденное». Робот сканирует объект и сравнивает его с образом, заложенным в памяти. Подобные интеллектуальные оптические системы разрабатывают в Институте физико-технических проблем РАН и в НПЦ автоматики и приборостроения им. Н.А. Пилюгина.
«Зрение» робота – это особый комплекс, состоящий из компьютера и двух камер, «склеивающих» двухмерные кадры в трехмерную картинку.
Эта технология может применяться в масштабных системах для посадки вертолетов на авианосцы. Лазерные лучи высвечивают на палубе предполагаемые точки касания шасси, компьютер выявляет закономерности движения палубы и подстраивает вертолет под колебание судна, обеспечивая тем самым одновременное касание палубы всеми шасси вертолета.
Компания Samsung уже серьезно заинтересовалась этой технологией. Samsung планирует найти ей применение в более прозаических сферах, в частности, в разработке роботов – уборщиков помещений, способных принимать решение, – убирать ли найденный на полу предмет или оставить его в покое.
Еще по теме
