За последние несколько лет аппаратное и программное обеспечение роботов кардинальным образом улучшилось. Однако роботы по некоторым своим возможностям всё ещё далеки от животных и даже от насекомых. Один способ избежать постоянной «игры в догонялки» с животными – это взять от них по максимуму всё, что возможно. В робототехнике эта концепция называется «биовдохновление». Если нужно, чтобы робот видел, как насекомое, нужно «украсть» структуру глаза насекомых и воспроизвести её при помощи микро-видео сенсоров. Получится «биовдохновлённый» глаз. Почему же «биовдохновление» часто останавливается на уровне источника энергии (аккумулятор) и двигателя (электропривод)?

Уже несколько лет назад летели кибернетические насекомые, полётом которых дистанционно управлял оператор. Но существуют строгие ограничения веса: жук-носорог может тащить на себе груз, который составляет примерно 30% его собственного веса. Для системы удалённого управления жуком требуется источник электроэнергии (аккумулятор), который для жука весит очень прилично. В результате к жуку нельзя прикрепить полезный груз как полезный груз. Один из способов уменьшить вес источника электроэнергии – использовать сверхминиатюрную ядерную батарею. Но это дорого и небезопасно. Исследователи из Мичиганского университета и Университета Западного Мичигана, США нашли куда более изящное решение. В ТРИЗ, Теории решения изобретательских задач, такой подход называется «использование бесплатных или копеечных ресурсов». Решение состоит в том, чтобы просто получать электроэнергию непосредственно от самого насекомого. К жуку прикрепили пьезоэлектрический преобразователь, который преобразует часть механической энергии взмахов крыльев жука в электроэнергию. Моделирование показало, что установка на каждом крыле по одному пьезоэлектрическому преобразователю позволяет получить более чем 100 микроватт мощности, которая больше, чем нужно (80 микроватт), чтобы управлять насекомым. Конечно, этот уровень мощности не будет способен обеспечить энергией микролазер, но сможет питать ту полезную микроназрузку (хотя бы микровидеокамеру), которую жуку придётся на себе везти.
А группа исследователей из Гавардского университета нашла способ объединить «биовдохновление» с робототехникой и кибернетикой. Они создали управляемого роботизированного микроската, который, чтобы плавать, использует активированные светом мышечные клетки крысы.
На правой картинке исследователь на ладони держит маленького ската, а на левой – монеты и крошечного роботизированного микроската. Скаты плавают быстро и эффективно маневрируют, изгибая свои плавники в волнообразном движении, которое продвигает тело ската в воде вперёд. Это простое движение, которое, тем не менее, очень стабильно и ещё допускает маневрирование. Что, по словам исследователей, делает скатов «идеальными биологическими моделями в робототехнике».

А это – увеличенная фотография самого робота.

Робот включает в себя «тело» из эластомера, «скелетом» из золота и слой тщательно ориентированных мышечных волокон, полученных из сердца новорожденной крысы. Мышечные волокна генетически модифицированы, чтобы откликаться на импульсы синего света сокращениями, и расположены змееобразно вдоль тела робота таким образом, что их сокращения приводят к возникновению повторяющемуся волнообразному движению без необходимости в любых других органах управления.

Когда один слой мышечных волокон сокращается, происходит движение вниз. А движение вверх обеспечивает золотой «скелет» с асимметричной жесткостью, который работает как пружина. Следующее движение вниз сжимает скелет, который «оживляется», когда мышечные волокна расслабляются. Мышечный слой состоит примерно из 20000 живых клеток сердца крысы, который приводит в движение робота, длиной 16.3 мм и массой чуть более 10 граммов. Робот может плыть с максимальной скоростью 3.2 мм/с, что неплохо для такого крошечного объекта. Чтобы заставить робота повернуть, увеличивают частоту световых импульсов с той стороны тела, куда нужно повернуть (см. видео).

Следует отметить, что робот плывёт не в чистой воде, а в растворе, который по своему составу похож на плазму крови. И мышечные клетки получают из этого раствора глюкозу, которую используют в качестве топлива чтобы выполнять свою работу. Другими словами, в чистой воде такой робот не поплывёт, но он совершил бы «приятное плавание» в крови. Жутковато читать…
Мышечные клетки робота могут работать с 80-процентной эффективностью спустя шесть дней после своего рождения, если они будут в буквальном смысле слова «мокрые и накормленные». Это предполагает, что такого робота когда-нибудь можно будет заставить выполнять полезную работу, например, при проведении хирургических операций.