Роботы-кампасы: создание механических формотворцев, вдохновлённых эмбриональными клетками

Коллектив под руководством Отгера Кампаса из Института молекулярной биологии и генетики Макса Планка в Дрездене, Германия, разработал рой роботов, каждый из которых имитирует поведение эмбриональной клетки. Вместе эти устройства могли демонстрировать свойства материала, способного преобразовываться между «жидким» и «твёрдым» состояниями, как персонаж Т-1000.

Кампас и его команда находили вдохновение в таких процессах, как флюидизация и конвергентное растяжение — механизмы, с помощью которых клетки эмбриона координируют своё поведение при формировании тканей и органов в развивающемся организме.

«Клеточные ткани эмбрионов могут переходить между твёрдым и жидким состоянием, что позволяет им формировать органы. Мы задумались, как создать роботов, которые способны выполнять аналогичную задачу», — комментирует Кампас.

Их исследования сосредоточились на трёх ключевых аспектах, которые позволяют клеткам в эмбриональных тканях осуществлять свои чудесные преобразования. Первый аспект заключается в том, что клетки могут перемещаться по отношению друг к другу даже в условиях плотной упаковки. Второй аспект — это сигнализация: выделение молекул, на которые реагируют соседние клетки, направляя своё движение. Третий аспект — это способность клеток соединяться друг с другом, образуя связанные и устойчивые структуры.

Целью Кампаса и его коллектива стало создание роботизированных аналогов клеток, способных выполнять все эти функции.

Каждый робот был оснащён моторизованными шестерёнками по окружности, способными соединяться с шестерёнками других роботов. Эти шестерёнки позволяли роботам перемещаться в рое без разрыва связей, что отражает поведение клеток в живом организме.

Соединялись роботы с помощью вращающихся магнитов, что позволяло сохранять сцепление, независимо от их положения. Каждый из роботов также был снабжён фотодатчиком, который фиксировал полярность света, что позволяло передавать команды с помощью простого поляризованного фонарика. «Изменение между твёрдым и жидким состояниями происходило благодаря регулированию мощности моторчиков, и мы соединили интенсивность этих колебаний с уровнем света», — поясняет Мэтью Девлин, ведущий автор исследования и научный сотрудник факультета машиностроения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

В ответ на световые команды два роя роботов — всего 20 единиц — могли вытянуться навстречу друг другу, столкнуться в центре и сформировать мост, способный выдерживать около 5 килограммов. После формирования куба они могли поддерживать вес взрослого человека, достигающего 70 килограммов. Кроме того, они могли обтекать объекты, принимать дополнительные формы и застывать, выполняя функции гаечного ключа. «Эта идея была вдохновлена изменяющим форму терминатором. Именно это мы и хотели создать», — утверждает Кампас.

Основной задачей оставалось то, что размер роботов составлял чуть более 5 сантиметров в диаметре. Для достижения большей схожести с терминатором команда рассматривает возможность уменьшения размеров роботов. Значительно уменьшения.

«Хорошая новость в том, что идти до размера живых клеток не обязательно, — подчеркивает Кампас. — Клетки имеют размер около 10 микрон, но роботы размером в 100 микрон или даже до 1 миллиметра уже будут впечатляющими». Однако к созданию таких маленьких устройств мы еще не готовы.

Согласно оценкам команды, роботов такого типа можно уменьшить до 1 или 2 сантиметров в диаметре. «На текущий момент создание устройств размером с рисовое зерно представляет собой сложную задачу, однако это может стать возможным в течение следующего десятилетия, — предполагает Кампас. Тем не менее, даже если мы решим проблему миниатюризации, останутся иные вызовы, например, необходимое питание для всех этих роботов.