Танцы на острие иглы: Балет микроботов
«Замечательно, что мы научились создавать подобные структуры и контролировать их в очень и очень микроскопическом масштабе», — делится руководитель группы разработчиков Брюс Дональд (Bruce Donald).
Каждый «микробот» похож на лопаточку размерами порядка нескольких микронов — они примерно в 100 раз меньше, чем все схожие роботы, созданные ранее, и более чем в 100 раз легче. Подобные системы принято называть «микроэлектромеханическими» (microelectromechanical system, MEMS) — это устройства, идеально подходящие для самых тонких задач, например, для проведения анализов в «лаборатории-на-чипе», где в крохотном объеме ведется множество химических реакций.
Взгляните на видеозапись: пара микроботов вальсирует под музыку Штрауса — и примите во внимание тот факт, что танцевальный зал, где разворачиваются их па, в поперечнике не превышает 1 мм. В ролике видно, как точны движения роботов, когда они вращаются «на пяточке» (их вытянутая «рука» притягивается к поверхности «зала» электростатическими силами).
На самом деле, группа Дональда добилась еще большего. Ими создано сразу 5 таких устройств, способных к групповой работе под руководством общего центра управления, не имея непосредственной связи друг с другом.
Профессор Брюс Дональд занимается MEMS-системами еще с 1992 г. Первые его разработки представляли собой искусственные аналоги двигательных ресничек живых микроорганизмов, которые могли управлять движением крохотных объектов. Уже тогда удалось добиться того, что на одном квадратном дюйме (около 6,5 см2) было размещено около 15 тыс. микроскопических «ресничек». Однако продемонстрированные недавно устройства еще интереснее.
Эти микроботы имеют 60 мкм в ширину, 250 мкм в длину (считая длинную вытянутую «конечность») и 10 мкм в высоту, а энергию им поставляет слегка наэлектризованная поверхность подложки, на которой они действуют. Двигаясь по такой подложке, они совершают последовательные шаги всего по 10−20 миллиардных метра, однако с частотой около 20 тыс. раз в секунду, что дает им вполне приличную скорость.
Для связи с «центром управления» им служит электричество: разные участки микроботов по-разному электризуются, стимулируя их к тому или иному движению. Интересно, что разные микроботы из набора, созданного учеными, по-разному реагируют на одинаковый сигнал, что позволяет добиться от них разных движений. В целом это напоминает схему, по которой реализовано управление белками в живой клетке: на конкретный химический сигнал каждый из них отвечает по-своему.
Собрав таким образом пятерку микроботов, чуть-чуть отличающихся друг от друга, ученые показали, что можно заставить их «плясать под свою дудку», то есть двигаться согласованно, по заранее продуманному маршруту и траектории. А это уже открывает совершенно новые перспективы.
«Поначалу, — говорит Брюс Дональд, — мы хотели получить нечто вроде крохотного автомобиля, способного к управляемому движению на микроскопических масштабах. Но у нас получилось большее — настоящая миниатюрная автомобильная пробка». По его словам, проект стартовал еще в 1997 г., и пять лет потребовалось на создание микроскопического устройства, способного работать без дополнительных проводов, привязывающих его к центру управления и батареям. Еще 3 года ушло на то, чтобы добиться от него движений в соответствии с поступающими командами. Наконец, еще 3 года было потрачено на разработку управления несколькими устройствами одновременно.
О других MEMS-устройствах читайте: «Инсулиновый нанонасос», «Персональная электростанция». А о том, чем это чревато для нас — «Homo technicus».
По пресс-релизу Duke University