Микророботы: навигация с "искусственным пространством-временем"

Крошечные роботы размером менее миллиметра, известные как микророботы, находят применение в таких областях, как адресная доставка лекарств и микропроизводство. Однако их миниатюрные размеры создают значительные трудности для навигации и управления.

Основная проблема заключается в ограниченном пространстве, которое не позволяет интегрировать компоненты для бортовых вычислений, датчиков и приводов, что затрудняет применение традиционных методов управления. Из-за этого микророботы не могут быть столь же "умными", как их более крупные аналоги.

Исследователи уже пытались решить эту проблему. Один из подходов — использование внешнего контроля с помощью вспомогательных систем, таких как оптические пинцеты или электромагнитные поля. Этот метод обеспечивает точное и адаптивное управление небольшим количеством микророботов, что полезно для сложных или требующих высокой точности задач. Однако масштабирование этого метода для управления большим числом независимых микророботов оказалось менее успешным.

Альтернативный метод, называемый "реактивным управлением", продемонстрировал потенциал для контроля над большими группами микророботов. Вместо постоянной внешней обратной связи, эти роботы используют собственные сенсорные данные для мгновенной реакции на глобальное управляющее поле. Такой подход минималистичен и хорошо подходит для микророботов, которые часто лишены сложной сенсорики или вычислительных мощностей из-за своих малых размеров.

Примерами реактивного управления служат микромоторы, реагирующие на внешние стимулы, искусственные потенциальные поля, координирующие движение с помощью сил притяжения и отталкивания, а также рои микророботов, поведение которых формируется за счет коллективного взаимодействия.

Тем не менее, методы реактивного управления до сих пор ограничивались простыми задачами. Исследователи сталкивались с трудностями при навигации в структурированных средах или при самостоятельной сходимости роботов в заданную точку, двигаясь по различным траекториям.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что движение микророботов формально аналогично пути света в общей теории относительности. Это позволило им разработать математическую основу, отображающую движение роботов на геодезические в искривленном пространстве-времени, определяемом управляющим полем. Команда использовала конформные преобразования для отображения сложных сред в простые виртуальные пространства, после чего проектировала управляющие поля и возвращала их обратно. Полученную геометрическую структуру они назвали "искусственными пространствами-временами".

С помощью искусственных пространств-временем команда смогла научить роботов выполнять более сложные задачи. Они смогли добиться, чтобы роботы перемещались к определенным точкам, удерживались в заданных областях, расходились или поворачивали по предписанным траекториям. Эти результаты были распространены на пространства с границами благодаря инвариантности геодезического движения при конформных преобразованиях.

Предложенный метод успешно предотвращал столкновения роботов со стенами и позволял задавать команды для навигации, патрулирования, поворотов или рассредоточения без необходимости бортовых вычислений. Тестирование подхода проводилось как в симуляциях, так и в экспериментах с использованием кремниевых микророботов и проецируемых световых полей.

В конечном итоге, эта новая концепция предлагает новый, масштабируемый способ управления большими группами простых роботов, открывая возможности в медицине, борьбе с загрязнением окружающей среды и микропроизводстве. Авторы исследования уже видят пути улучшения текущей модели, которая в настоящее время ограничена 2D-средами и определенными типами роботов. Они указывают на несколько перспективных направлений для дальнейшей разработки, таких как расширение метрик для изменения во времени.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на предотвращение столкновений между роботами или на последовательное исследование пространства, заставляя отдельных роботов ускоряться или замедляться при достижении определенных точек пространства-времени, или же делая их невидимыми друг для друга при сближении.

Другие возможности включают расширение разнообразия аппаратного обеспечения роботов или даже предоставление роботам возможности генерировать собственные управляющие поля, что приведет к появлению эмерджентного группового поведения.