Физический интеллект: Миниатюрные роботы и биоинспирированные материалы.

Введение

Профессор в области робототехники Метин Ситти — директор департамента физического интеллекта в Институте интеллектуальных систем им. Макса Планка в Штутгарте, который он основал в 2014 году. Он также является профессором департамента информационных технологий и электротехники в ETH Zurich, профессором Медицинской школы и Колледжа инженерии Университета Коч и сооснователем Setex Technologies Inc., базирующейся в Питтсбурге, США.

Обзор

Метин Ситти – пионер в области беспроводных крошечных медицинских роботов, адгезивов, вдохновленных гекконами, и миниатюрных био-вдохновленных роботов. Его группа, именуемая Отделом физического интеллекта, стремится к пониманию принципов проектирования, передвижения, управления, восприятия и обучения мобильных роботов малого размера. Ситти и его команда ставят целью внедрение интеллекта (например, сенсорики, приводов, управления, памяти, логики, вычислений, адаптации, обучения и способности к принятию решений) в роботов. Для этого они используют интеллектуальные материалы, структуры и механизмы, реагирующие на внешние стимулы, чтобы закодировать интеллект непосредственно в физическое тело робота.

Основные направления исследований

Есть интеллект, рожденный мощью мозга – нейроны, собирающие и передающие электрохимические сигналы, заставляющие думать человека, животное или насекомое. Но существует и другая форма интеллекта, основанная на устройстве тела. У геккона есть лапы, позволяющие ему прилипать практически к любой поверхности, что делает его структуру интеллектуальной, поскольку это помогает ему выживать в природе. Физический интеллект означает, что «железо» умное, а не только программное обеспечение, встроенное в мозг. Исследования Метина Ситти и его команды охватывают диапазон от малых до миллиметровых и микроскопических масштабов. Некоторые роботы настолько малы, что их размер сравним с волосом. Очевидно, что в такого маленького робота нельзя добавить много оборудования, поэтому необходимо уметь управлять им извне, дистанционно. Внешней силой выступает магнитная, акустическая или световая энергия. Другой способ – использование, например, живых бактерий или водорослей для присоединения к роботу – подобно лошади, тянущей повозку – для приведения робота в движение. Но как контролировать бактерию, обладающую собственным «разумом»? Здесь на помощь приходит биологическая инженерия, в ходе которой бактерии конструируются таким образом, чтобы они быстро передвигались или обнаруживали определенные объекты, например, опухоли. Наука в отделе физического интеллекта структурирована вокруг трех основных направлений исследований. Первое – «Передовые материалы», где исследователи разрабатывают новые биоинспирированные, биологические или синтетические материалы для кодирования физического интеллекта в роботах малого масштаба. Например, его команда разрабатывает, производит и применяет клеевые микроволокна из эластомера, вдохновленные волосками на лапах геккона, для контролируемого захвата, адгезии/трения и смачивания жидкостью корпусов роботов или захватов, а также носимых мягких датчиков. Другой пример – самовосстанавливающиеся и многофункциональные белковые материалы, программируемые и многофункциональные мягкие магнитные композиты, чувствительные к стимулам жидкокристаллические эластомеры и гидрогели, функциональные микро/наноматериалы, биоматериалы, полученные от пациентов, а также фотокаталитические и жидкокристаллические материалы, управляемые светом, для приведения в действие миниатюрных мягких роботов, движения, зондирования, управления и физической адаптации. Второе – направление «Мобильные миллироботы», где размер роботов часто достигает 1 мм. Метин Ситти и его команда изучают насекомых, ящериц, медуз и множество других организмов малого масштаба, стремясь понять принципы их передвижения и применить эти знания для создания роботов малого размера. Существуют также такие изобретения, как робот-капсула, напоминающая таблетку. В будущем пациент сможет проглотить эту капсулу, и она сможет взять образцы опухоли внутри желудка. Одним из главных прорывов в этой области является мягкий миллиробот под названием Wormmate, способный одновременно выполнять семь различных типов передвижения на различных поверхностях (твердая земля, вода, водная поверхность), вдохновленный организмами с мягким телом. Ситти и его команда в настоящее время работают над использованием этого и других крошечных роботов для навигации в беспрецедентных и труднодоступных областях внутри тела под контролем ультразвуковой или рентгеновской медицинской визуализации для проведения малоинвазивных медицинских операций. Этот роботизированный прорыв был опубликован в журнале Nature в 2018 году и вызвал широкий резонанс во всем мире. Третье – направление «Мобильные микророботы», которое, как надеется Метин Ситти, однажды станет стандартом в здравоохранении или биотехнологии. Микророботы, благодаря своим миниатюрным размерам (менее 1 мм во всех измерениях), в перспективе смогут получать доступ к замкнутым пространствам, таким как микрокапилляры внутри человеческого тела. Они смогут перемещаться по жидкостям организма и непосредственно взаимодействовать с опухолью. Автономные мобильные микророботы могут открыть множество новых возможностей, таких как малоинвазивная диагностика и лечение внутри человеческого тела. Мягкие милли- и микророботы, такие как те, которые разрабатывают Метин Ситти и его команда, обладают огромным потенциалом и однажды могут радикально изменить медицину. Ученые работают над созданием беспроводных крошечных машин, которые в ближайшем будущем, возможно, смогут получать доступ к труднодоступным областям внутри тела. В качестве полуимплантируемых медицинских устройств, программируемых по форме и изготовленных из биосовместимых мягких магнитных материалов, эти технологии смогут оставаться внутри тела пациента в течение длительного времени, обеспечивая минимально инвазивные или неинвазивные диагностические и терапевтические вмешательства. Однако, прежде чем эти крошечные роботы смогут быть применены в клиниках, необходимо преодолеть множество проблем. Ученые все еще сталкиваются с множеством задач: они должны разработать способы перемещения и управления этими крошечными роботами внутри тела с высокой точностью, учитывая потоки жидкостей организма и движение органов. Они также должны гарантировать безопасность пациентов и возможность длительного пребывания этих роботов в организме, даже в условиях потенциальных иммунных или других реакций.

There is intelligence through brain power – neurons gathering and transmitting electrochemical signals that make a human, an animal or insect think. But there's another form of intelligence, and that is through the way the body is built. A gecko has feet that helps it stick to practically any surface, making his structure intelligent as it helps it survive in nature. Physical Intelligence means the hardware is smart, not just the software embedded in the brain. Metin Sitti and his team's research ranges from small to milli to microscale. Some robots are so tiny they have the size of a hair. Obviously, you can't add much hardware to such a small robot, so you have to be able to steer them around from outside, remotely. Magnetic, acoustic or light energy is the external force at play. Another way is using for instance live bacteria or algae to hook onto the robot – like a horse pulling a cart – to propel the robot forward. But how to control the bacteria which has a mind of its own? This is where biological engineering takes place where the bacteria is engineered in such a way that it is very fast in moving around, or senses specific things like a tumor. The science in the Physical Intelligence Department is structured into three research thrusts. First, there is the Advanced Materials thrust where the researchers develop new bio inspired, biological or synthetic materials for encoding physical intelligence into small scale robots. As an example, his team designs, manufactures and applies gecko foot hairs inspired elastomer microfiber adhesives for controlled gripping, adhesion/friction, and liquid wetting of robot bodies or grippers and wearable soft sensors. Another example are self healing and multifunctional protein materials, shape programmable and multifunctional soft magnetic composites, stimuli responsive liquid crystal elastomers and hydrogels, functional micro/nanomaterials, patient derived biomaterials, and light driven photocatalytic and liquid crystal materials for miniature soft robot actuation, propulsion, sensing, control, and physical adaptation. Second, there is the Mobile Millirobots thrust where the robots are often down to 1 mm in size. Metin Sitti and his team look at insects, lizards, jellyfish, and many other small scale organisms and try to understand the animal's locomotion principles and apply that knowledge to create robots at the small scale. There are also inventions such as a soft capsule robot, which looks much like a pill. One day, a patient could be able to swallow this capsule and it could take samples of a tumor inside the stomach. One of the main breakthroughs in this thrust area is a soft millirobot named Wormmate that is able to achieve seven different locomotions at the same time in multiple terrains (solid ground, water, water surface) inspired by soft bodied small organisms. Sitti and his team are currently working on using this and other tiny robots to one day navigate through unprecedented and hard to reach regions inside the body under ultrasound or x ray medical imaging for minimally invasive medical operations. This robotic breakthrough was published in Nature in 2018 and made the headlines all across the world. Third, there is the Mobile Microrobots thrust, which Metin Sitti hopes will one day be a standard in healthcare or biotechnology. Microrobots, through their miniature size at a sub millimeter scale (they are less than 1mm in all dimensions), could one day be able to access enclosed spaces such as microcapillaries inside a human body. They copuld travel through the body's fluids and directly interact with a tumor. Untethered mobile microrobots might enable many new applications, such as minimally invasive diagnosis and treatment inside the human body. Soft milli and microrobots such as those Metin Sitti and his team are developing hold huge potential and could one day have a radical impact on medicine. The scientists are working towards developing wireless tiny machines that in the near future will perhaps be able to access difficult to reach regions inside the body. As semi implantable medical devices that are shape programmable and built from biocompatible magnetic soft materials, these technologies would remain inside a patient's body for a long time, enabling minimally or non invasive diagnostic and therapeutic interventions. However, many challenges must still be overcome before these tiny robots can be applied in clinics. The scientists are still faced with many challenges: they must develop ways to move and control these tiny robots inside the body with high levels of precision, taking body fluid flows and organ movement into account. They must also ensure that patient safety is guaranteed, and that these robots can be in us for long periods of time, even in the face of potential immune or other reactions.

Биография

Ситти получил степени бакалавра и магистра в области электротехники и электроники в Университете Богазичи в Стамбуле в 1992 и 1994 годах соответственно, а также степень доктора философии по электротехнике в Токийском университете в 1999 году. С 1999 по 2002 год он был научным сотрудником в Калифорнийском университете в Беркли, а с 2002 по 2014 год – профессором в Департаменте машиностроения и Институте робототехники Университета Карнеги-Меллона. В 2014 году он стал директором Института интеллектуальных систем имени Макса Планка в Штутгарте. Ситти – признанный ученый. 9 ноября 2020 года, ровно через 31 год после падения Берлинской стены, Ситти был удостоен премии «Прорыв года» 2020 в категории «Инженерные и технологические разработки» на Всемирном научном саммите Falling Walls. В марте 2019 года он получил престижный грант Advanced Grant от Европейского исследовательского совета (ERC), который присуждается только признанным исследователям с подтвержденной репутацией. Получатели грантов отличаются исключительным лидерством в своих областях благодаря оригинальности и значимости их исследовательских работ. Более того, Ситти и его команда недавно получили награду за лучшую работу на престижной конференции Robotics: Science and Systems за изобретение мягкого миллиробота, вдохновленного медузами, с медицинскими функциями. Ситти также удостоен медали Рахми Коча (2018), премии за лучшую работу на конференции Robotics: Science and Systems (2019), премии IEEE/ASME за лучшую работу в области мехатроники (2014), премии SPIE Nanoengineering Pioneer Award (2011), премии за лучшую работу на конференции IEEE/RSJ Intelligent Robots and Systems (1998, 2009) и премии NSF CAREER Award (2005). Он является главным редактором журналов Progress in Biomedical Engineering и Journal of Micro Bio Robotics, а также ассоциированным редактором журналов Science Advances и Extreme Mechanics Letters. Ситти опубликовал две книги и более 460 рецензируемых статей, свыше 300 из которых вышли в архивных журналах. Научные достижения его группы освещались в популярных изданиях, таких как New York Times, Wall Street Journal, Le Monde, The Economist, Der Spiegel, Forbes, Süddeutsche Zeitung, Science, New Scientist, Nature News, MIT Technology Review, IEEE Spectrum Magazine и Stuttgarter Zeitung. Он выступил с более чем 200 приглашенными ключевыми докладами, пленарными выступлениями и семинарами в университетах, на конференциях и в промышленности. Ему выдано более 12 патентов, и находится на рассмотрении более 15 заявок на патенты.

Sitti received his BSc and MSc degrees in electrical and electronics engineering from Boğaziçi University in Istanbul in 1992 and 1994, respectively, and his Ph. D. degree in electrical engineering from the University of Tokyo in 1999. He was a research scientist at UC Berkeley from 1999 to 2002 and a Professor at the Department of Mechanical Engineering and Robotics Institute at Carnegie Mellon University from 2002 to 2014. He became a Director at the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart in 2014. Sitti is an acclaimed scientist. On November 9, 2020, exactly 31 years after the fall of the Berlin Wall, Sitti was presented with the «Breakthrough of the Year» Award 2020 in the Engineering and Technology category by the Falling Walls World Science Summit. In March 2019, he received a prestigious Advanced Grant from the European Research Council (ERC), which is awarded only to established researchers with a proven track record of excellence. In terms of the originality and significance of research contributions, grant recipients are exceptional leaders in their given fields. What is more, Sitti and his team recently received the Best Paper Award at the prestigious Robotics Science and Systems Conference for their invention of a baby jellyfish inspired soft millirobot with medical functions. Sitti also received the Rahmi Koç Medal of Science (2018), Best Paper Award in the Robotics Science and Systems Conference (2019), IEEE/ASME Best Mechatronics Paper Award (2014), SPIE Nanoengineering Pioneer Award (2011), Best Paper Award in the IEEE/RSJ Intelligent Robots and Systems Conference (1998, 2009), and NSF CAREER Award (2005). He is the editor in chief of both Progress in Biomedical Engineering and Journal of Micro Bio Robotics, and an associate editor for both Science Advances and Extreme Mechanics Letters. Sitti has published two books and over 460 peer reviewed papers, over 300 of which have appeared in archival journals. His group's research breakthroughs have been featured in the popular press, such as New York Times, Wall Street Journal, Le Monde, The Economist, Der Spiegel, Forbes, Süddeutsche Zeitung, Science, New Scientist Science News, Nature News, MIT Technology Review, IEEE Spectrum Magazine and Stuttgarter Zeitung. He has given over 200 invited keynote, plenary or distinguished seminars in universities, conferences and industry. He has over 12 issued patents and over 15 pending patents.

Предпринимательство

Метин Ситти в 2012 году совместно основал компанию Setex Technologies Inc. в Питтсбурге, США, для коммерциализации технологии микрофибрового адгезива, вдохновленной гекконом, как принципиально новый, революционный клеевой материал (под брендом Setex®) для широкого спектра промышленных применений.