Мозги на борту: умные маленькие роботы ходят автономно

Совместными усилиями были установлены электронные «мозги» на работающих на солнечной энергии роботах размером от 100 до 250 микрометров (меньше головы муравья), чтобы они могли ходить независимо, не находясь под контролем извне.

В то время как исследователи из Корнелла и другие ранее разработали микроскопические машины, которые могут ползать и плавать, Ходить и изгибаясь, всегда были прикреплены «нити»; Для создания движения использовались провода для обеспечения электрического тока или лазеры должны были быть сфокусированы непосредственно на определенных местах на роботах.

«Ранее нам приходилось буквально манипулировать этими «потоками», чтобы получить какой-либо ответ от бота», Итай КоэнПрофессор физики Колледжа искусств и наук. «Но теперь, когда у нас есть эти мозги на борту, это все равно, что сорвать нити с марионетки. Это похоже на то, когда Пиноккио приходит в сознание».

Это новшество прокладывает путь к новому поколению микроскопических устройств, которые могут отслеживать бактерии, вынюхивать химические вещества, устранять загрязняющие вещества, выполнять микрохирургические операции и удалять бляшки из артерий.

командный лист»,Микроскопические роботы с бортовым цифровым управлением«, опубликовано 21 сентября в журнале Science Robotics. Ведущий автор — Майкл Рейнольдс, научный сотрудник с докторской степенью, 17th MSc, Ph.D. 21.

В проекте приняли участие исследователи Cohen Laboratories, Алеша Молнар, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в Cornell Engineering. И Пол МакКуинПрофессор Джон А. Neumann Physical Sciences (A&S), все из которых являются старшими соавторами статьи.

«Мозг» новых роботов представляет собой комплементарную схему металл-оксид-полупроводник (КМОП), содержащую тысячу транзисторов, а также набор диодов, резисторов и конденсаторов. Интегральная схема CMOS генерирует сигнал, который создает серию сфазированных прямоугольных волн, которые, в свою очередь, определяют походку робота. Ноги робота представляют собой актуаторы на основе платины. И схема, и ноги питаются от фотогальванических элементов.

В некотором смысле, электроника очень проста. Коэн сказал, что эта тактовая схема не является скачком вперед по емкости схем. «Но все электронные устройства должны иметь очень низкую мощность, чтобы нам не приходилось использовать огромные фотоэлектрические элементы для питания схемы».

Электронные устройства с низким энергопотреблением стали возможными благодаря Молнар ГруппПоиск. Бывший научный сотрудник с докторской степенью Алехандро Кортес, доктор философии. В 1919 году он работал с Рейнольдсом и разработал мозг CMOS, который затем был построен на коммерческом литейном заводе XFAB.

Окончательные схемы прибыли на 8-дюймовых кремниевых пластинах на изоляторе. По словам Рейнольдса, мозг каждого робота высотой 15 микрон — а также тело робота — представляет собой «гору» по сравнению с электроникой, которая обычно размещается на плоском чипе. работал с Центр науки и технологий Cornell NanoScale (CNF) для разработки сложного процесса с использованием 13-слойной фотолитографии для травления мозга в водном растворе и создания моделей приводов для изготовления ног.

— сказал Кортес, генеральный директор OWiC Technologies, компании, которую он основал вместе с Макьюеном и Молнаром для продажи беспроводных оптических интегральных схем для микросенсоров. «Это действительно первый раз, когда мы показали, что да, вы можете интегрировать это непосредственно в процесс CMOS и управлять всеми этими ветвями напрямую с помощью одной эффективной схемы».

Команда создала трех роботов для демонстрации интеграции CMOS: двуногого робота Перселла, названного в честь физика Эдварда Перселла, который предложил столь же простую модель для объяснения плавательных движений микроорганизмов; более сложный шестиногий робот, который ходит тремя ногами попеременно, как насекомое; А четвероногий робот-собака может изменять скорость, с которой он ходит, благодаря модифицированной схеме, которая получает команды с помощью лазерного импульса.

«В конечном счете, возможность передать команду позволит нам давать роботу инструкции, а внутренний мозг будет определять, как их выполнять», — сказал Коэн. Далее имеем разговор с ботом. Робот может рассказать нам что-то о своем окружении, а затем мы можем отреагировать, сказав ему: «Хорошо, иди туда и попробуй выяснить, что происходит».

Новые роботы примерно в 10 000 раз меньше, чем более крупные роботы, оснащенные встроенной CMOS-электроникой, и могут двигаться со скоростью более 10 микрометров в секунду.

Производственный процесс Рейнольдса, в первую очередь для электроники литейного производства, привел к созданию платформы, которая может позволить другим исследователям оснастить микророботы собственными приложениями — от химических детекторов до фотоэлектрических «глаз», которые помогают роботам ориентироваться, воспринимая изменения в освещении.

«Это позволяет вам представить себе очень сложных, высокоэффективных, хорошо программируемых микроскопических роботов, интегрированных не только с исполнительными механизмами, но и с датчиками», — сказал Рейнольдс. «Мы в восторге от применения в медицине — чего-то, что может перемещаться по тканям, выявлять хорошие клетки и убивать плохие клетки — и в экологической терапии, как если бы у вас был робот, который знает, как расщеплять загрязняющие вещества или чувствовать и утилизировать опасные химические вещества. ».

В мае команда интегрировала собственные схемы часов CMOS. искусственные реснички которые также построены с использованием приводов с электрическим приводом на основе платины для управления движением жидкостей.

«Самое интересное заключается в том, что мы не знали, каким будет iPhone, пока не выпустили его в мир, и надеемся, что теперь, когда мы продемонстрировали рецепт подключения КМОП-электроники к управляемым роботизированным конечностям, мы можем дать волю этому и попросить людей разработать чипы», — сказал Коэн. воображение.»

Среди соавторов — бывший постдокторант Марк Маскин. Постдокторские исследователи Qingkun Liu и Sunwoo Lee; аспиранты Вэй Ван и Саманта Норрис; и Чжанци (Джеки) Чжэн ’24.

Поиск поддержали Корнельский центр исследования материалов, которая поддерживается программой MRSEC Национального научного фонда; Национальный научный фонд; Управление научных исследований ВВС; Армейское исследовательское бюро; и Институт Кавли в Корнелле для нанонауки.