Взгляд в будущее
В недалеком будущем хирургов могут заменить крошечные машины, которые будут перемещаться внутри тела человека, выслеживая раковые опухоли или удаляя тромбы даже из мельчайших артерий. Подобные перспективы могут восприниматься как научная фантастика, однако достижения в области робототехники и материаловедения за последние несколько лет приблизили эту идею к реальности.
Робототехник Брэдли Нельсон из ETH Zürich посвятил свою карьеру созданию таких микроскопических устройств. Он говорит, что, хотя инженеры уже смогли создать роботов размером не больше микроба, которые могут передвигаться и ощущать окружающую среду, люди все еще должны управлять ими удаленно. Следующей серьезной задачей, по его словам, будет наполнение этих машин некой формой интеллекта, чтобы они могли выполнять свою работу независимо, полностью исключив из процесса людей-операторов.
Авторы статьи, опубликованной в Ежегодном обзоре управления, робототехники и автономных систем, рассказали о том, что именно нужно для создания действительно «умного» микробота и как его можно использовать в реальном мире. Соавтор статьи Брэдли Нельсон рассказал журналу Knowable Magazine, почему эта задача такая трудная и как может выглядеть будущее крошечных интеллектуальных машин.
Что такое микроробот
По словам Брэдли Нельсона, робот любого размера — это устройство, работающее в неопределенной среде. Оно приспосабливается к ней и может двигаться для достижения поставленной перед ним цели. Классический способ того, как это работает, основывается на трех столпах робототехники.
- Сенсорика — робот должен каким-то образом собирать информацию об окружающем мире.
- Движение — у него должен быть какой-то исполнительный механизм, чтобы он мог взаимодействовать с этим миром.
- Вычисления — робот должен определять, какие действия он собирается предпринять в любой момент времени.
Брэдли Нельсон:
«В своей работе я обычно пытаюсь построить из этих элементов машины размером с одну клетку и шириной до нескольких сотен микрон. Меня не интересует что-то меньше, поскольку, как только вы опускаетесь ниже микрона, виды физики, которые преобладают в окружающей среде, меняются. Важно думать о том, как такие вещи, как броуновское движение, случайное движение атомов и молекул, повлияют на разрабатываемое устройство. Это определяет взаимодействие робота с окружающей средой, поэтому, работа становится больше похожей на химию, чем на робототехнику».
«Интеллект» микробота
Есть много мнений по поводу того, что можно считать разумом. В понимании Брэдли Нельсона, интеллект микробота — это его способность удивлять людей своим поведением и приспосабливается к окружающей среде.
«Посмотрите на что-то вроде бактерий кишечной палочки. Каждая из них представляет собой одну клетку длиной 1–2 микрона. На ее поверхности есть хеморецепторы, которые могут воспринимать аминокислоты или другие питательные вещества вокруг себя. У такой бактерии есть коммуникационный путь к своим жгутикам, вращающемуся придатку, который позволяет ей двигаться, и она может изменить направление движения по вашему желудочно-кишечному тракту. У нее также есть своего рода программное обеспечение. Кусочки ДНК, плавающие внутри нее, контролируют, как она восстанавливает себя, чтобы остаться в живых. В некотором смысле это природный микроробот: у него есть датчики, канал связи, алгоритм восприятия, управляющее программное обеспечение, которое управляет двигателем и принимает основные решения. И делает все это настолько хорошо, что некоторые робототехники используют ее как часть своих устройств. По сути, они привязывают своих микророботов к микробу и позволяют ему выполнять за них все функции восприятия и передвижения», — рассказывает Брэдли Нельсон.
Бактерии и микроботы
В окружающей среде бактерии сначала просто беспорядочно перемещаются, но ощутив что-то «хорошее», например, аминокислоту или другое питательное вещество, они будут плавать в таком месте немного дольше, что постепенно продвинет их в нужном направлении. В основном они следуют химическим градиентам. Ученые называют этот процесс «предвзятым случайным блужданием».
Брэдли Нельсон:
«Представьте себе крошечных роботов, которые могут делать то же самое. Может быть, они будут следовать градиентам температуры, pH или химическим признакам определенного заболевания. Меня очень вдохновляет мир природы. Существует невероятно богатый набор сложных «интеллектуальных» моделей поведения, развившихся в крошечных организмах, и если я смогу найти способ воспроизвести некоторые из этих моделей поведения у роботов, это будет очень интересно».
Сложности создания
Трудясь над созданием микроботов, ученые начали исследовать полимеры и материалы, которые могут каким-то образом реагировать на окружающую среду, например, автоматически изменять свою форму, чтобы пройти через узкие места. Однако, самой большой сложностью существующей на данный момент, является объединение ряда различных функций: микробот должен ощущать окружающую среду и реагировать на нее, чтобы выполнить конкретную задачу.
Практическое применение
По прогнозам специалистов, прежде всего, микроботы будут применяться в медицине. В распоряжении медиков уже есть медицинские инструменты, которые могут проникать в человеческие тело глубже и с меньшей инвазивностью, чем, например, катетеры. Новые технологии помогут совершать такие сложные операции как лечение аневризмы или удаление тромба глубоко в мозге. Следующим естественным шагом будет внедрение в тело микророботов, которые смогут перемещаться в крошечных пространствах и лечить болезни на ранней стадии.
Брэдли Нельсон:
«Представьте себе устройство, которое может проникнуть в легкие, чтобы найти и вылечить рак до того, как он распространится. Или удалить тромб, находящийся глубоко в мозге, до которого нельзя добраться с помощью существующих катетеров. Простые микророботы потенциально могут добраться до заблокированных областей и помочь их разблокировать».
В настоящее время, микроботы управляются по беспроводной связи с помощью магнитного поля. «Когда мы применяем вращающееся внешнее магнитное поле к этим роботам, они крутятся как автомобильная шина, движущаяся по пересеченной местности», — объясняет Дэвид Каппеллери, доцент кафедры машиностроения в университете Purdue.
Чтобы наблюдать за движением этих крошечных машин в режиме реального времени, ученые используют ультразвуковое оборудование. Лабораторные тесты подтвердили способность микробота транспортировать и высвобождать лекарство в пробирке с физиологическим раствором. Исследователи покрыли микробота флуоресцентным фиктивным лекарством, которое он успешно перенес через раствор вращательным движением. Ученые смогли добиться контролируемого высвобождения лекарственного вещества. Это означает, что потенциально можно направить микробота в любое место в теле человека, оставить его там, а затем медленно дать лекарству вытечь. А поскольку микробот имеет полимерное покрытие, лекарство не высвободится, не достигнув пункта назначения.
Магнитные микроботы, сделанные из полимера и металла, нетоксичны и биосовместимы. Их применение может быть очень широким, поскольку в дополнение к функции по введению лекарств, они могут действовать и как диагностические инструменты, заменив традиционную колоноскопию и другие сложные и неприятные процедуры.
В настоящий момент внедрение искусственного интеллекта в микробот невозможно. Однако, оно может и не потребоваться. Можно создать невероятно полезного микробота, используя простые формы интеллекта и автономного принятия решений. Крошечные устройства, которые обладают способностью распознавать изменения в окружающей среде и изменять свое поведение в ответ на это, могут делать удивительно сложные вещи.
«Возьмите к примеру химиотерапию. Если микроробот способен определять градиенты pH или температуру опухоли, он может медленно двигаться и высвобождать высокотоксичное лекарство непосредственно в раковую ткань, а не в остальные части тела», — говорит Брэдли Нельсон.
Сами по себе роботы имеют довольно простую структуру. Они представляют собой своеобразную капсулу в виде «слоеного пирога» из микромоторов и действующего вещества. Когда микробот достигает опухоли, он активируется и выпускает микромоторы, которые будут перемещаться по области опухоли. По словам Вей Гао из Калифорнийского технологического института, это очень важно для доставки лекарств.
Капсула содержит частицы магния диаметром около 20 микрометров. Сначала слой золота покрывает магний, а затем слой гидрогеля, содержащего препараты для борьбы с опухолями, «оборачивает» все остальное. Сверху микробот покрыт слоем студенистого вещества. Золото и магний действуют как микромоторы.
Подобные устройства могут иметь «интеллект микроба», но все же быть невероятно эффективными для обнаружения болезней и доставки лекарств. «Как инженер, я всегда ставлю перед собой такую цель: как проще всего спроектировать машину для выполнения определенной задачи? Ей не обязательно уметь играть в шахматы. Она просто должна выполнить работу», — подытоживает Брэдли Нельсон.
Пять самых маленьких роботов в мире
1. Дрон-шпион Black Hornet
Разработан и выпущен на рынок американским технологическим конгломератом Teledyne, с целью обеспечения пехотинцев скрытой информацией о потенциальных угрозах. Black Hornet почти бесшумен, может автономно работать до 25 минут, радиус действия до 2 км. Этот дрон передает оператору живое видео и изображения высокой четкости.
2. RoboBee
Крошечный робот, который потенциально может использоваться для опыления сельскохозяйственных культур, поисково-спасательных операций и наблюдения, а также для мониторинга погоды и климата. Питание и управление робота производится с помощью небольшого электрического троса.
3. Robofly
Этот бот немного тяжелее зубочистки, размером с муху и приводится в действие лазерным лучом, который необходимо направлять на его тело. Создатели Robofly надеются, что он сможет обнаруживать утечки газа, собирать энергию из радиочастотных сигналов, а также использовать в качестве источника питания небольшую батарейку.
4. Микрогребешки от Micro Nano & Molecular Systems
Эти роботы, разработанные специально для использования в медицинских целях, размером менее 1 мм, предназначены для перемещения внутри кровотока или вокруг глаза. Микрогребешки питаются от внешнего магнитного поля, как и миллироботы.
5. Роботизированная таблетка Rani Therapeutics
Фиолетовая капсула, которую можно проглотить и которая проходит через желудок и кишечник для введения лекарств, например, инсулина, в стенку кишечника, где нет острых болевых рецепторов.
Все эти микроботы имеют схожие проблемы, решение которых, в настоящий момент, пытаются найти ученые. До сих пор нет достаточно маленькой аккумуляторной технологии, для хранения энергии в микроботах. Это означает, что либо у них короткий срок службы, либо им нужна какая-то беспроводная энергия.
Также они слишком малы, чтобы поместить внутри них полноценный искусственный интеллект. Вычислительное оборудование, которое реально можно установить на один из этих роботов, для обеспечения бортового интеллекта, не дает возможности выйти за рамки самых простых операций и сделать их полностью автономными. Тем не менее, крошечные роботы ближе к массовому использованию чем когда-либо раньше. Специалисты продолжают работу над ними и верят, что у этих крошечных ботов большое будущее.