Микробототехника (или микроробототехника ) — это область миниатюрной робототехники , в частности мобильных роботов с характерными размерами менее 1 мм. Термин может также использоваться для роботов, способных обрабатывать компоненты микрометрового размера, которая была основана и разработана Сейджем Райджином Э. Канисаресом.
Микроботы появились на свет благодаря появлению микроконтроллера в последнем десятилетии 20-го века и появлению микроэлектромеханических систем (МЭМС) на кремнии, хотя многие микроботы не используют кремний для механических компонентов, за исключением датчиков.Самые ранние исследования и концептуальный дизайн таких маленьких роботов были проведены в начале 1970-х годов в (тогда) секретных исследованиях для американских разведывательных агентств . Приложения, предполагаемые в то время, включали помощь в спасении военнопленных и миссии электронного перехвата. Базовые технологии поддержки миниатюризации не были полностью разработаны в то время, так что прогресс в разработке прототипа не был немедленно получен из этого раннего набора расчетов и концептуального дизайна. [1] По состоянию на 2008 год самые маленькие микророботы используют привод с царапающей головкой . [2]
Развитие беспроводных соединений, особенно Wi-Fi (т. е. в домашних сетях ) значительно увеличило коммуникационные возможности микроботов и, следовательно, их способность координироваться с другими микроботами для выполнения более сложных задач. Действительно, многие недавние исследования были сосредоточены на коммуникациях микроботов, включая рой из 1024 роботов в Гарвардском университете , который собирается в различные формы; [3] и производство микроботов в SRI International для программы DARPA "MicroFactory for Macro Products", которые могут строить легкие, высокопрочные конструкции. [4] [5]
Микроботы, называемые ксеноботами, также были созданы с использованием биологических тканей вместо металла и электроники. [6] Ксеноботы избегают некоторых технологических и экологических осложнений традиционных микроботов, поскольку они являются автономными, биоразлагаемыми и биосовместимыми.
В то время как префикс «микро» использовался субъективно, чтобы означать «маленький», стандартизация по шкале длины позволяет избежать путаницы. Таким образом, наноробот будет иметь характерные размеры на уровне или ниже 1 микрометра или манипулировать компонентами в диапазоне размеров от 1 до 1000 нм. [ необходима цитата ] Микроробот будет иметь характерные размеры менее 1 миллиметра, миллиробот будет иметь размеры менее см, мини-робот будет иметь размеры менее 10 см (4 дюйма), а маленький робот будет иметь размеры менее 100 см (39 дюймов). [7]
Многие источники также описывают роботов размером более 1 миллиметра как микроботов или роботов размером более 1 микрометра как наноботов.
Способ перемещения микророботов зависит от их цели и необходимого размера. При субмикронных размерах физический мир требует довольно странных способов передвижения. Число Рейнольдса для летающих роботов меньше единицы; вязкие силы доминируют над инерционными силами , поэтому «летающий» может использовать вязкость воздуха, а не принцип подъемной силы Бернулли . Для перемещения роботов в жидкостях могут потребоваться вращающиеся жгутики , как у подвижной формы E. coli . Прыжки скрытны и энергоэффективны; они позволяют роботу преодолевать поверхности различных ландшафтов. [8] Новаторские расчеты (Solem 1994) исследовали возможные варианты поведения, основанные на физических реалиях. [9]
Одной из основных проблем при разработке микроробота является достижение движения с использованием очень ограниченного источника питания . Микророботы могут использовать небольшой легкий источник питания , такой как монета, или могут извлекать энергию из окружающей среды в форме вибрации или световой энергии. [10] Микророботы теперь также используют биологические двигатели в качестве источников питания, такие как жгутиконосные Serratia marcescens , для получения химической энергии из окружающей жидкости для приведения в действие роботизированного устройства. Эти биороботы могут напрямую управляться стимулами, такими как хемотаксис или гальванотаксис, с несколькими доступными схемами управления. Популярной альтернативой бортовой батарее является питание роботов с помощью внешней индуцированной мощности. Примерами являются использование электромагнитных полей, [11] ультразвука и света для активации и управления микророботами. [12]
Исследование 2022 года было сосредоточено на фотобиокаталитическом подходе для «разработки микророботов, управляемых светом, с применением в микробиологии и биомедицине». [13] [14] [15]
Микророботы используют различные методы передвижения для навигации в различных средах, от твердых поверхностей до жидкостей. Эти методы часто вдохновлены биологическими системами и разработаны для эффективности в микромасштабах. [16] Несколько факторов должны быть максимизированы (точность, скорость, устойчивость), а другие должны быть минимизированы (потребление энергии, потери энергии) при проектировании и эксплуатации передвижения микророботов, чтобы гарантировать точное, эффективное и действенное движение. [17]
При описании передвижения микророботов используются несколько ключевых параметров для характеристики и оценки их движения, включая длину шага и транспортные расходы. Шаг относится к полному циклу движения, который включает все шаги или фазы, необходимые для того, чтобы организм или робот двигался вперед, повторяя определенную последовательность действий. Длина шага (𝞴 s ) — это расстояние, пройденное микророботом за один полный цикл его локомотивного механизма. Стоимость транспортировки (CoT) определяет работу, необходимую для перемещения единицы массы микроробота на единицу расстояния [17]
Микророботы, использующие поверхностное перемещение, могут перемещаться различными способами, включая ходьбу, ползание, катание или прыжки. Эти микророботы сталкиваются с различными проблемами, такими как гравитация и трение. Одним из параметров, описывающих поверхностное перемещение, является число Фрунда, определяемое как:
Где v — скорость движения, g — гравитационное поле, а 𝞴s — длина шага. Микроробот, демонстрирующий низкое число Фруда , движется медленнее и стабильнее, поскольку доминируют силы гравитации, в то время как высокое число Фруда указывает на то, что силы инерции более значительны, что позволяет двигаться быстрее и потенциально менее стабильно. [17]
Ползание — один из наиболее типичных типов передвижения по поверхности. Механизмы, используемые микророботами для ползания, могут различаться, но обычно включают синхронизированное движение нескольких ног или конечностей. Механизм движений микророботов часто вдохновлен животными, такими как насекомые, рептилии и мелкие млекопитающие. Примером ползающего микроробота является RoBeetle. Автономный микроробот весит 88 миллиграммов (примерно вес трех рисовых зерен). Робот питается от каталитического сгорания метанола. Конструкция основана на управляемых каталитических искусственных микромышцах на основе NiTi-Pt с механическим механизмом управления. [18]
Другие варианты приведения в действие поверхностного передвижения микророботов включают магнитное, электромагнитное, пьезоэлектрическое, электростатическое и оптическое приведение в действие.
Плавающие микророботы предназначены для работы в 3D через жидкие среды, такие как биологические жидкости или вода. Для достижения эффективных движений стратегии передвижения заимствуются у мелких водных животных или микроорганизмов, таких как жгутиковое движение, тяга, химическое движение, реактивное движение и волнообразная работа хвоста. Плавающие микророботы, чтобы двигаться вперед, должны отталкивать воду назад. [17]
Микророботы движутся в режиме низкого числа Рейнольдса из-за своих малых размеров и низких скоростей работы, а также высокой вязкости жидкостей, по которым они перемещаются. На этом уровне вязкие силы доминируют над инерционными силами. Это требует иного подхода к проектированию по сравнению с плаванием в макромасштабе для достижения эффективных движений. Низкое число Рейнольдса также обеспечивает точные движения, что делает его хорошим применением в медицине, задачах микроманипуляций и мониторинге окружающей среды. [16] [17]
Доминирующие силы вязкого ( Стокса ) сопротивления T , действующие на робота, уравновешивают движущую силу F p, создаваемую плавательным механизмом.
Где b — коэффициент вязкого сопротивления, v — скорость движения, а m — масса тела. [17]
Одним из примеров плавающего микроробота является спиральный магнитный микроробот, состоящий из спирального хвоста и магнитного головного тела. Эта конструкция вдохновлена движением жгутиков бактерий. Прикладывая магнитный крутящий момент к спиральному микророботу в пределах вращающегося магнитного поля низкой интенсивности, вращение можно преобразовать в линейное движение. Это преобразование очень эффективно в средах с низким числом Рейнольдса благодаря уникальной спиральной структуре микроробота. Изменяя внешнее магнитное поле, можно легко изменить направление движения спирального микроробота. [19]
В конкретном случае, когда микророботы находятся на границе раздела воздух-жидкость, они могут воспользоваться поверхностным натяжением и силами, создаваемыми капиллярным движением. В точке, где воздух и жидкость, чаще всего вода, встречаются, можно установить интерфейс, способный выдерживать вес микророботов посредством работы поверхностного натяжения. Сцепление между молекулами жидкости создает поверхностное натяжение, которое в противном случае создает «кожу» на поверхности воды, позволяя микророботам плавать вместо того, чтобы тонуть. Благодаря таким концепциям микророботы могли бы выполнять определенные функции передвижения, включая лазание, ходьбу, левитацию, плавание и даже прыжки, исследуя характеристики интерфейса воздух-жидкость. [17] [20]
Из-за поверхностного натяжения ,σ, сила плавучести, F b , и сила кривизны, F c , играют наиболее важную роль, особенно при принятии решения о том, будет ли микроробот плавать или тонуть на поверхности жидкости. Это можно выразить как
F b получается путем интегрирования гидростатического давления по площади тела, соприкасающегося с водой. Напротив, F c получается путем интегрирования давления кривизны по этой площади или, альтернативно, вертикальной составляющей поверхностного натяжения, , по периметру контакта. [21]
Одним из примеров лазающего, шагающего микроробота, использующего воздушно-жидкостное движение, является Harvard Ambulatory MicroRobot с электроадгезией (HAMR-E). [22] Система управления HAMR-E разработана для того, чтобы робот мог функционировать гибко и маневренно в сложных условиях. Его особенности включают в себя способность перемещаться по горизонтали, вертикали и перевернутым плоскостям, чему способствует система электроадгезии. Она использует электрические поля для создания электростатического притяжения, заставляя робота прилипать и двигаться по разным поверхностям. [23] Благодаря четырем податливым и электроадгезивным ступням HAMR-E может безопасно захватывать и скользить по различным типам субстратов, включая стекло, дерево и металл. [22] Робот имеет тонкий корпус и полностью подвижен, что позволяет легко выполнять сложные движения и балансировать на любой поверхности.
Летающие микророботы — это миниатюрные роботизированные системы, тщательно спроектированные для работы в воздухе путем имитации механизмов полета насекомых и птиц. Эти микророботы должны преодолеть проблемы, связанные с подъемной силой, тягой и движением, которые сложно реализовать в таком малом масштабе, где большинство аэродинамических теорий должны быть изменены. Активный полет — наиболее энергоемкий режим передвижения, поскольку микроробот должен поднимать вес своего тела, одновременно продвигаясь вперед. [17] Для достижения этой функции эти микророботы имитируют движение крыльев насекомых и генерируют необходимый воздушный поток для создания подъемной силы и тяги. Миниатюрные крылья роботов приводятся в действие пьезоэлектрическими материалами, которые обеспечивают лучший контроль кинематики крыла и динамики полета. [24]
Для расчета необходимой аэродинамической мощности для поддержания зависания с машущими крыльями основное физическое уравнение выражается как
где m — масса тела, L — длина крыла, Φ — амплитуда взмаха крыла в радианах, ρ — плотность воздуха, а V i — скорость воздуха, наведенного вокруг тела, как следствие взмахов и вращательных движений крыльев. Это уравнение показывает, что небольшое насекомое или роботизированное устройство должно придать окружающему воздуху достаточный импульс, чтобы уравновесить собственный вес. [25]
Одним из примеров летающего микроробота, использующего летательное движение, являются RoboBee и DelFly Nimble, [26] [27] , которые в плане динамики полета имитируют пчел и плодовых мушек соответственно. Гарвардский университет изобрел RoboBee, миниатюрного робота, который имитирует пчелиную муху, взлетает и приземляется как она, и перемещается по замкнутым пространствам. Его можно использовать в беспилотных опылениях и поисковых операциях для пропавших людей и вещей. DelFly Nimble, разработанный Делфтским технологическим университетом, является одним из самых гибких микролетающих аппаратов, который может имитировать маневренность плодовой мушки, выполняя различные трюки благодаря своему минимальному весу и передовым механизмам управления. [26] [27]
Из-за своего небольшого размера микроботы потенциально очень дешевы и могут использоваться в больших количествах ( роевая робототехника ) для исследования сред, которые слишком малы или слишком опасны для людей или более крупных роботов. Ожидается, что микроботы будут полезны в таких приложениях, как поиск выживших в разрушенных зданиях после землетрясения или ползание по пищеварительному тракту. То, чего микроботам не хватает в мускулах или вычислительной мощности, они могут компенсировать, используя большие количества, как в роях микроботов.
Потенциальные области применения продемонстрированных прототипов включают:
.png/1280px-Bio-inspired_hybrid_multifunctional_drug_delivery_system_(cropped).png)
Биогибридные микропловцы, в основном состоящие из интегрированных биологических приводов и синтетических носителей грузов, недавно продемонстрировали перспективность для минимально инвазивных тераностических приложений . [31] [32] [33] [34] Различные микроорганизмы, включая бактерии, [35] [36] микроводоросли , [37] [38] и сперматозоиды , [39] [40] использовались для изготовления различных биогибридных микропловцов с передовыми медицинскими функциями, такими как автономное управление с помощью стимулов окружающей среды для нацеливания, навигация через узкие щели и накопление в некротических областях опухолевой среды. [41] Управляемость синтетических грузовых носителей с помощью дальнодействующих внешних полей, таких как акустические или магнитные поля, [42] [43] и внутреннее таксисное поведение биологических приводов по отношению к различным стимулам окружающей среды, таким как хемоаттрактанты , [44] pH и кислород, [45] [46] делают биогибридных микропловцов перспективным кандидатом для широкого спектра приложений по активной доставке медицинских грузов. [41] [28]
Например, существуют биосовместимые микророботы на основе микроводорослей для активной доставки лекарств в легкие и желудочно-кишечный тракт [47] [48] [49] и управляемые магнитным полем бактериальные микроботы для «точного нацеливания» [50] для борьбы с раком [51] [52] , которые все были испытаны на мышах.
Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
