Исследователи из Корнелла в области физики и инженерии создали самого маленького шагающего робота на сегодняшний день. Его миссия: быть достаточно маленьким, чтобы взаимодействовать с волнами видимого света и при этом двигаться независимо, чтобы он мог перемещаться в определенные места — например, в образец ткани — для получения изображений и измерения сил в масштабе некоторых из мельчайших структур тела.

«Шагающий робот , достаточно маленький, чтобы взаимодействовать со светом и эффективно его формировать, берет линзу микроскопа и помещает её прямо в микромир», — сказал Пол Макьюэн, почётный профессор физических наук имени Джона А. Ньюмана в Колледже искусств и наук (A&S), который возглавлял команду. «Он может выполнять съёмку крупным планом способами, которые обычный микроскоп никогда не сможет».

Статья группы «Магнитно-программируемая дифракционная робототехника» была опубликована в журнале Science , Макьюэн — автор-корреспондент. Конрад Смарт, научный сотрудник Лаборатории атомной и твердотельной физики Корнелла (LASSP), и Таннер Пирсон, доктор философии 22 года, являются соавторами исследования.

Учёные из Корнелла уже установили мировой рекорд по созданию самого маленького шагающего робота в мире — его размер составляет 40–70 микрон.

Новые дифракционные роботы «собираются побить этот рекорд», — сказал Итай Коэн, профессор физики (A&S) и соавтор исследования. «Эти роботы размером от 5 до 2 микрон. Они крошечные. И мы можем заставить их делать все, что захотим, управляя магнитными полями, управляющими их движениями».

Дифракционная робототехника впервые соединяет необузданных роботов с методами визуализации, которые зависят от дифракции видимого света — изгиба световой волны при прохождении через отверстие или вокруг чего-либо. Метод визуализации требует отверстия, размер которого сопоставим с длиной волны света.

Чтобы оптика работала, роботы должны быть в таком масштабе, а чтобы роботы могли достигать целей для съёмки, они должны иметь возможность двигаться самостоятельно. Команда Корнелла достигла обеих целей.

Управляемые магнитами, совершающими сжимающее движение, роботы могут ползать по твердой поверхности. Они также могут «плавать» в жидкостях, используя то же движение.

Исследователи утверждают, что сочетание маневренности, гибкости и субдифракционной оптической технологии создает значительный прогресс в области робототехники.

«Я действительно воодушевлен этим слиянием микроробототехники и микрооптики», — сказал соавтор Франческо Монтиконе, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Корнеллском инженерном колледже, который разработал оптические дифракционные элементы и помог команде определить области их применения.

«Миниатюризация робототехники наконец достигла точки, когда эти приводные механические системы могут взаимодействовать со светом и активно формировать его в масштабе всего нескольких длин волн — в миллион раз меньше метра».

Чтобы управлять роботами с помощью магнитов в таком масштабе, команда снабдила ботов сотнями магнитов нанометрового масштаба, которые имеют одинаковый объём материала, но две разные формы — длинные и тонкие или короткие и короткие. Идея, сказал Коэн, возникла у физика из Университета Фудань Цзичжая Цуя.

«Длинным и тонким нужно большее магнитное поле, чтобы перевернуть их из одного положения в другое, а коротким и коротким нужно меньшее поле», — сказал Коэн. «Это значит, что вы можете применить большое магнитное поле, чтобы выровнять их все, но если вы приложите меньшее магнитное поле , вы перевернете только короткие и короткие».

Учёные Корнелла объединили этот принцип с очень тонкими плёнками, изобретенными в Центре нанотехнологий Корнелла, для создания роботов.

Одной из основных задач оптической инженерии было определение наиболее подходящего подхода для трёх задач — настройки света, фокусировки и получения изображений со сверхвысоким разрешением — для этой конкретной платформы, поскольку «разные подходы имеют разные компромиссы в отношении производительности в зависимости от того, как микроробот может двигаться и менять форму», — сказал Монтикон.

Коэн сказал, что есть преимущество в возможности механически перемещать дифракционные элементы для улучшения изображения. Сам робот может использоваться в качестве дифракционной градации, или можно добавить дифракционную линзу. Таким образом, роботы могут действовать как локальное расширение линзы микроскопа, смотрящего сверху вниз.

Роботы измеряют силы, используя то же самое сжимающее движение, приводимое в действие магнитом, которое позволяет им ходить и толкать конструкции.

«Эти роботы — очень податливые пружины. Поэтому, когда что-то на них давит, робот может сжиматься», — сказал Коэн. «Это меняет картину дифракции , и мы можем это довольно точно измерить».

Исследователи заявили, что измерения силы и оптические способности могут применяться в фундаментальных исследованиях, например, при изучении структуры ДНК. Или их можно использовать в клинических условиях.

«Заглядывая в будущее, я могу представить себе рои дифракционных микроботов, выполняющих микроскопию сверхвысокого разрешения и другие задачи по зондированию, перемещаясь по поверхности образца», — сказал Монтикон. «Я думаю, что мы на самом деле только царапаем поверхность того, что возможно с этой новой парадигмой, объединяющей робототехнику и оптическую инженерию в микромасштабе».

Контакты, администрация и авторы