Введение

Микробототехника (или микроробототехника) – это область робототехники, занимающаяся созданием миниатюрных роботов, в особенности мобильных роботов с характерными размерами менее 1 мм. Этот термин также может применяться к роботам, способным манипулировать компонентами микрометрового размера.

История

Микроботы появились благодаря появлению микроконтроллера в последнее десятилетие 20-го века и микроэлектромеханических систем (МЭМС) на кремнии, хотя многие микроботы не используют кремний для механических компонентов, за исключением датчиков. Самые ранние исследования и концептуальная разработка таких маленьких роботов проводились в начале 1970-х годов в (тогда) засекреченных исследованиях для разведывательных служб США. В то время предполагаемые области применения включали помощь в спасении военнопленных и проведение операций по перехвату информации. Базовые технологии, поддерживающие миниатюризацию, в то время не были достаточно развиты, поэтому прогресс в разработке прототипов не последовал сразу за этими ранними расчетами и концептуальной разработкой. По состоянию на 2008 год, самые маленькие микророботы используют скретч-привод. Развитие беспроводных соединений, особенно Wi-Fi (например, в домашних сетях), значительно увеличило коммуникационные возможности микроботов и, следовательно, их способность координировать действия с другими микроботами для выполнения более сложных задач. Действительно, значительная часть современных исследований сосредоточена на коммуникации микроботов, включая рой из 1024 роботов в Гарвардском университете, который самоорганизуется в различные формы, и производство микроботов в SRI International для программы DARPA "Микрофабрика для макропродуктов", способной создавать легкие и высокопрочные конструкции. Также были созданы микроботы, называемые ксеноботами, с использованием биологических тканей вместо металла и электроники. Ксеноботы позволяют избежать некоторых технологических и экологических проблем, связанных с традиционными микроботами, поскольку они самодостаточны, биоразлагаемы и биосовместимы.

Определения

В то время как приставка "микро" использовалась субъективно для обозначения "маленького", стандартизация по масштабам длины позволяет избежать путаницы. Таким образом, наноробот будет иметь характерные размеры в 1 микрометре или меньше, или манипулировать компонентами в диапазоне размеров от 1 до 1000 нм. Микроробот будет иметь характерные размеры менее 1 миллиметра, миллиробот – менее 1 сантиметра, мини-робот – менее, а маленький робот – менее. Многие источники также описывают роботов больше 1 миллиметра как микроботов или роботов больше 1 микрометра как наноботов.

Относительно конструкции

То, как микророботы перемещаются, зависит от их назначения и необходимого размера. При субмикронных размерах физический мир диктует весьма необычные способы передвижения. Число Рейнольдса для летающих роботов меньше единицы; вязкие силы преобладают над инерционными, поэтому для "полета" можно использовать вязкость воздуха, а не принцип подъёмной силы Бернулли. Роботам, движущимся в жидкостях, могут потребоваться вращающиеся жгутики, как у подвижной формы кишечной палочки. Прыжки – скрытный и энергоэффективный способ передвижения, позволяющий роботу преодолевать поверхности разнообразных ландшафтов. Пионерские расчёты (Solem 1994) изучали возможные варианты поведения, основанные на физических реалиях. Одна из основных задач при разработке микроробота – добиться движения, используя крайне ограниченный источник питания. Микророботы могут использовать небольшой и лёгкий источник питания, например, таблеточную батарейку, или получать энергию из окружающей среды в виде вибрации или световой энергии. Микророботы также используют биологические двигатели в качестве источников энергии, такие как жгутиковая Serratia marcescens, для извлечения химической энергии из окружающей жидкости и приведения в действие роботизированного устройства. Эти биороботы могут напрямую управляться стимулами, такими как хемотаксис или гальванотаксис, с использованием различных схем управления. Популярной альтернативой бортовому аккумулятору является питание роботов с помощью внешне индуцированной энергии. Примеры включают использование электромагнитных полей, ультразвука и света для активации и управления микророботами. Исследование 2022 года было посвящено фотобиокаталитическому подходу к "разработке светоуправляемых микророботов для применения в микробиологии и биомедицине".