Чудеса левитации: микроскопические роботы

Между тем о стаях микроскопических летающих роботов грезят не только творцы голливудских блокбастеров, но и вполне себе статусные ученые, видящие для таких устройств немало практических применений: профилактические и ремонтные работы в труднодоступных узлах машин, обследование трещин и полостей в стенах и опорах зданий, промышленный монтаж микроконструкций, сбор развединформации или, например, медицина. Не нарушая целостности человеческого тела, микроскопические машины могли бы собирать данные для диагностики, доставлять лекарства строго в заданную точку организма, проводить микрохирургические операции.

Но если масштабировать современных летающих роботов до субмиллиметровых размеров пока не удается, нельзя ли решить проблему каким-то нетрадиционным способом? Похоже, нащупать нестандартное решение удалось сотрудникам Лаборатории магнитной левитации (Университет Ватерлоо, Канада) под руководством профессора Берада Хамеси. Суть нового подхода заключается в том, чтобы по максимуму «разгрузить» микромашину, отдав ей лишь исполнительное устройство — манипулятор. Все остальное — источник энергии, двигатель, систему ориентации — оставить «за бортом». Возможно ли такое? «Да, — отвечает Берхар Хамеси, — для этого необходимо лишь использовать силу магнита».

«Летающего робота» из Университета Ватерлоо нельзя назвать в полном смысле роботом, если под этим словом понимать автономную машину, оснащенную элементами искусственного интеллекта. Скорее речь идет о роботизированном комплексе, одним из элементов которого является левитирующий манипулятор. Можно сказать, что это тот самый редкий случай, когда «тело» робота отделено от его «пальцев» пустотой.

Главным несущим элементом всей конструкции является станина (yoke) — поставленная вертикально прямоугольная рама. Одно из длинных (вертикальных) ребер рамы разомкнуто — собственно, в этом разрыве и окажется «зона полетов». Прямо над ней к станине крепится блок электромагнитов. Сам блок, как и электромагниты, имеет круглую форму, поэтому магниты размещаются внутри него «ромашкой» — например, один — в центре, а шесть других вокруг него, по окружности. Обращенная вниз сторона блока электромагнитов закрыта круглой металлической пластиной. Она тут вовсе не для красоты, речь идет о существенном элементе всей конструкции — полюсном наконечнике. Его задача — сглаживать неровности результирующего магнитного поля, возникающего в результате действия нескольких электромагнитов. Фактически полюсный наконечник призван фокусировать и направлять энергию магнитного потока.

Как говорят разработчики системы, аналогичный блок магнитов может устанавливаться и на ответной, нижней части станины, однако в экспериментах, проводимых сегодня, используется пока только верхний блок. Вся конструкция представляет собой своего рода замкнутый магнитный контур — для этого и станина, и полюсный наконечник изготовлены из мягкого (в магнитном смысле) железа. Это позволяет усилить мощность магнитного поля, вырабатываемого электромагнитами.

Итак, между верхней и нижней частями разомкнутого ребра станины, прямо под блоком электромагнитов находится рабочая область, которую мы уже назвали «зоной полетов». Именно туда запускается миниатюрное левитирующее устройство, имеющее на борту постоянный магнит. Его поле, вступая во взаимодействие с внешним полем, генерируемым электромагнитами, создает магнитный момент. Сила магнитного притяжения компенсирует вес устройства, и оно зависает в воздухе. Но не только.

Если одновременно на катушках всех входящих в блок электромагнитов изменить параметры тока на одинаковую величину, то сила магнитного притяжения возрастет или, наоборот, упадет и левитирующее устройство совершит движение по вертикали — вверх или вниз. Если же параметры поля, создаваемого одним или несколькими электромагнитами, будут изменяться относительно свойств поля, вырабатываемого другими электромагнитами, фокус результирующего магнитного поля, создаваемый полюсным наконечником, будет смещаться относительно горизонтальной плоскости, увлекая за собой левитирующий объект с постоянным магнитом на борту. Попросту говоря, варьируя напряжение, подаваемое на катушки электромагнитов, мы получаем возможность перемещать левитирующий объект в пространстве по всем трем осям координат. То есть мы имеем линейный, или, даже можно сказать, трехмерный, электродвигатель, в котором роль статора выполняет станина с электромагнитами, а функция ротора отдается летающему роботу.

Таким образом удалось решить сразу две задачи, связанные с миниатюризацией летающих роботов, — левитирующее устройство профессора Хамеси лишено как двигателя, так и, естественно, источника питания для него. Однако это еще полдела.

Прежде чем летающим манипуляторам будут доверены прецизионная сборка или, скажем, микрохирургические операции, необходимо добиться идеальной точности позиционирования, что при отсутствии жесткой связки между управляющей системой и манипулятором необыкновенно сложно.

В частности, компьютер, управляющий катушками электромагнита, а значит, и самим манипулятором, должен постоянно получать точную информацию о местоположении объекта, с тем чтобы мгновенно корректировать возможные отклонения от заданной траектории движения.

Система определения положения левитирующего объекта представляет собой на сегодняшний день весьма громоздкую и, как представляется, не очень практичную конструкцию. Вокруг рабочей области (которая, как мы помним, расположена в «разрыве» станины) смонтирована кольцеобразная восьмиугольная платформа. На ней установлены три лазерных микрометра, состоящие из расположенных друг напротив друга приемника и передатчика. Генерируемые микрометрами лазерные лучи сканируют рабочую область по всем осям координат с частотой 1200 Гц, отслеживая таким образом перемещения устройства. При этом сам левитирующий объект задействован в этой системе исключительно в пассивном режиме.

Однако главное, что отличает летающего робота от летающей болванки, — это рабочий инструмент. В самых ранних экспериментах в рабочей области левитировал заключенный в пластиковый корпус цилиндрический магнит с диаметром поперечного сечения и высотой 10 мм и весом 6,59 г. Следующий объект был устроен куда сложнее. В нем уже появились магнитная головка (блок из трех крошечных постоянных магнитов), отделение для батарей и микросхемы с инфракрасным датчиком, а также собственно манипулятор, то есть простейшие «щипцы» из тонкой проволоки. По умолчанию они находились в сомкнутом состоянии.

Как только инфракрасный датчик улавливал поданный извне сигнал, электронная схема замыкала цепь, подавая напряжение с батареек на пружинку, сделанную из сплава, обладающего «памятью формы». Пружинка разжималась, раздвигая «щипцы».

Все это очевидно отдает ересью, так как с появлением на борту электроники и источника энергии чистота идеи явно оказалась под угрозой. Поэтому в следующем поколении левитирующих роботов, родившихся в лаборатории профессора Хамеси, уже нет ни батарей, ни микросхем. Зато полку устройств, окружающих рабочую область, прибыло — теперь там появилась миниатюрная лазерная пушка, стреляющая своим лучом в определенную точку на поверхности робота. В результате выстрела «щипцы» манипулятора, сделанные теперь из особого полимера, слегка нагреваются и разжимаются. Если же лазер прекращает работу, они смыкаются снова. В ходе экспериментов такой робот, весящий менее 1 г, подцепляет манипулятором кусочек тончайшего стекловолокна, проносит его на расстояние менее 1 мм и вновь опускает на поверхность.

Как свидетельствуют сами канадские ученые, в будущем результаты их работы могут найти разнообразные применения. Например, левитирующие машины, которым, в отличие от их крылатых собратьев, для полета не требуется воздух, смогут работать даже в вакуумных камерах, участвуя в лабораторных опытах или проводя сборку микроэлектронных устройств. Однако приоритетом все же считается использование таких роботов в медицине. Рассматривается даже возможность проведения с их помощью манипуляций на клеточном уровне. В качестве рабочих инструментов роботов оснастят микроножницами, микроскальпелями или микроиглами.

В связи с этим возникает несколько дополнительных вопросов, которые мы адресовали непосредственно профессору Хамеси.

Во-первых, вновь появляется проблема масштабирования. Размеры левитирующего робота, который проходит испытания в Университете Ватерлоо, исчисляются миллиметрами. Однако для эффективной и нетравмирующей работы внутри человеческого организма машину потребуется уменьшить до субмиллиметровых масштабов. Реально ли это и с помощью каких технологий подобная цель может быть достигнута? «Работы по уменьшению масштабов робота уже ведутся в нашей лаборатории, — отвечает Берад Хамеси. — Сейчас мы создаем субмиллиметровый образец, построенный на технологии MEMS — микроэлектронномеханических систем».

Микроэлектронномеханическими системами называются механизмы микронного масштаба, смонтированные на электронных чипах и интегрированные с ними (см. врезку). Из сказанного следует, что медицинские микророботы будут несколько сложнее своего нынешнего прототипа и у них на борту все же найдется место электронным устройствам.

Во-вторых, как известно, человеческое тело — отнюдь не пустой сосуд и полостей, в которых микромашина могла бы «летать», там практически нет. «В самом деле, — говорит руководитель лаборатории, — проникнув в человеческое тело, робот будет пробираться внутри желудка, кишечника или кровеносных сосудов, преодолевая трение и сопротивляясь кровотоку. Но силы вырабатываемого генератором магнитного поля окажется для этого вполне достаточно».

Ну а что же будет с лазерами? Понятно, что, как только микроробот исчезнет в недрах человеческого организма, системы ориентирования и управления манипулятором, основанные на работе лазера, просто перестанут работать. Разумеется, канадские разработчики не могли не учесть этот фактор. «На борту робота будет всегда присутствовать постоянный магнит, — объясняет Берад Хамеси. — Отслеживать положения машины также возможно благодаря небольшим изменениям внешнего магнитного поля, которые будут происходить в результате продвижения внутри организма».

На пути к практическому применению магнитолевитирующих микророботов необходимо решить еще немало проблем инженерного характера, в частности, предстоит придумать иной способ приведения в действие манипулятора — возможно, в той или иной мере разработчикам придется вернуться к схеме, основанной на электричестве. Многое потребуется сделать и для увеличения точности позиционирования инструмента: здесь предстоит усовершенствовать как систему определения положения робота в пространстве, так и программное обеспечение, управляющее электромагнитами. Но, как говорится, дорогу осилит идущий. Главное, что одна из самых дерзких идей последнего времени мало-помалу обретает материальное воплощение. Остальное — дело техники. И времени.