Miniaturyzacja jest jednym z trendów napędzających dynamiczny rozwój nowoczesnych technologii. Wprawdzie lubimy mieć większe smartfony czy telewizory, ale już niezbędne do ich prawidłowego funkcjonowania scalone układy półprzewodnikowe są coraz mniejsze i często zawierają wiele elementów elektronicznych w niewielkiej obudowie. Również w obszarze robotyki widoczny jest trend miniaturyzacji. Dziesiątki, jeśli nie setki naukowców i inżynierów na całym świecie prowadzą prace badawcze nad malutkimi robotami i choć dziś niektóre zapowiedzi mogą się wydawać rodem z filmów science-fiction, to tylko kwestią czasu jest, kiedy mikro- i nanoroboty będą wykorzystywane na szeroką skalę.

Od wizji do pierwszych testów

Robot, który w organizmie człowieka namierza komórkę nowotworową i ją niszczy? Dziś brzmi to jak fantastyka, jednak bez pierwszego pomysłu i wytyczenia celu ciężko byłoby o postęp. Mikro- i nanoroboty to nie tylko idée fixe naukowców XXI w. Pierwsze wzmianki o nich znajdziemy już w minionym stuleciu. W 1956 r. Arthur C. Clarke, pisarz fantastycznonaukowy, znany przede wszystkim z powieści „2001: Odyseja kosmiczna”, opisał maszyny w skali mikro; 30 lat później amerykański fizyk Kim Drexler, uważany za twórcę nanotechnologii, w książce pt. „Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” zdefiniował nanoroboty jako mikroskopijne maszyny, wielkości 1,5–100 nm, które są w stanie budować dowolne przedmioty atom po atomie. Choć od tego czasu minęło już 30 lat, nanoroboty wciąż są w fazie badań naukowców na różnych uniwersytetach.

Stworzone pierwsze maszyny w skali nano trudno nazwać robotami. Za jednego z pierwszych nanorobotów uznaje się malutkie urządzenie o wielkości 4 nm, stworzone przez zespół naukowców z Uniwersytetu Columbia pod kierownictwem Milana Stojanovica. Wyglądający jak czteronogi pająk poruszał się po specjalnie stworzonej molekularnej sieci dróg, skręcał i zatrzymywał. Był on w stanie pokonać dystans zaledwie 100 nm (ok. 100 kroków).

Najpierw skala mikro

Znacznie większe postępy widać w badaniach nad robotami nieco większymi. W obecnym stuleciu powstało już wiele projektów pokazujących, że mikroroboty będą mogły wkrótce realizować przeróżne zadania, nie do wykonania dla człowieka czy większych robotów. W 2003 r. naukowcy z laboratorium Sandia w Albuquerque opracowali robota o wielkości 1/4 cala3, który zasilany był dwoma bateriami zegarkowymi, poruszał się na dwóch gąsienicach i był w stanie pokonać w ciągu godziny dystans 0,5 m. Posiadał pamięć 8 kB i wyposażony był w prosty czujnik temperatury, ale w zależności od potrzeb mógł być uzbrojony również w minikamerę bądź czujniki chemiczne. Już podczas jego pierwszej prezentacji twórcy zastrzegli, że nie ma problemu z jego dalszą miniaturyzacją.

Inny zespół naukowców, z Uniwersytetu Dartmouth, stworzył robota, który pod koniec pierwszej dekady XXI w. mógł pochwalić się nieoficjalnym tytułem najmniejszego robota na świecie. Miał zaledwie 60 μm (mikrometrów) szerokości, czyli tyle, ile mierzy ludzki włos. Robot o długości 250 μm poruszał się, a dokładniej pełzał niczym gąsienica, wykonując tysiące „nanokroczków” na sekundę, dzięki dwóm niezależnym aktywatorom. Jeden był odpowiedzialny za ruch do przodu, drugi za skręcanie. Aktywatory reagowały na zmiany elektryczne w siatce elektrod, która jednocześnie dostarczała temu mikrorobotowi odpowiednią energię do ruchu. Taki sposób poruszania się zapewniał mu mobilność na każdym podłożu. Według twórców ten mały robot mógłby być wykorzystywany m.in. do napraw układów scalonych czy kontroli niebezpiecznych środowisk.

Jak twierdzą niektórzy naukowcy, noroboty będzie można wykorzystywać m.in. do bezpośredniego aplikowania lekarstwa w organizmie człowieka

Miniaturowe roboty potrafią też już latać. W 2013 r. powstała pierwsza tzw. robomucha, która ważyła zaledwie 80 mg. Posiadała skrzydła wykonane z włókien węglowych, które pod wpływem prądu potrafiły zamachać 120 razy na minutę. Wystarczyło to do sprawnego i przede wszystkim szybkiego lotu. Problemem było jednak zasilanie i sterowanie tym robotem. Ponieważ żadna bateria i najmniejszy nawet sterownik nie wchodziły w rachubę ze względu na zbyt dużą masę, poruszała się ona na kablu podłączonym do źródła prądu i komputera sterującego.

To, co jeszcze pięć lat temu było przeszkodą nie do pokonania, udało się w tym roku pokonać naukowcom z uniwersytetu w Waszyngtonie (University of Washington). Zbudowali oni pierwszego latającego mikrorobota sterowanego bezprzewodowo. Ta robomucha, niewiele cięższa od wykałaczki, zasilana jest wiązką laserową wykorzystującą umieszczony na jej obudowie mały obwód z ogniwem fotowoltaicznym, dzięki któremu energia pochodząca z lasera zamieniana jest w energię elektryczną niezbędną do poruszania skrzydłami. Do tego samego obwodu podłączony jest malutki kontroler, odpowiedzialny za sterowanie lotem tego mikrorobota. Na razie jednak może on tylko wystartować i wylądować. Obecnie prowadzone są prace nad wykorzystaniem malutkich baterii i pobieraniem energii z sygnałów o częstotliwości radiowej, a także nad bardziej zaawansowanym systemem sterowania. Rozwiązania te mają sprawić, że robomucha będzie w stanie utrzymać się w powietrzu znacznie dłużej i wykonywać bardziej skomplikowane operacje. Jej twórcy liczą, że w pełni sprawna pomoże np. lokalizować nieszczelności bądź wycieki w rurociągach lub instalacjach domowych.

Nanoroboty nie wcześniej niż w 2030

Prawdziwą rewolucję w robotyce mogą sprawić roboty w skali nano, które będą w stanie poruszać się i wykonywać czynności z nanometrową precyzją, a przy tym będą niezauważalne gołym okiem. Prace nad nanorobotami, zwanymi także nanitami, już trwają, jednak pierwsze konstrukcje są dość proste i nie mają wiele do zaoferowania. Ich budowa jest analogiczna do większych maszyn – posiadają moduł odpowiedzialny za poruszanie się, jednostkę sterującą, elementy chwytające i napęd. I właśnie ten ostatni jest dziś chyba największym wyzwaniem dla naukowców.

Obecnie nanoroboty zasilane są przy użyciu różnych zewnętrznych źródeł, m.in. ultradźwięków czy pola magnetycznego. W robotach, które miałyby się poruszać w ludzkich organizmach, testowane są rozwiązania wykorzystujące jako źródło napędu np. tlen, glukozę bądź płynącą krew. Z kolei w testowych nanorobotach funkcjonujących poza organizmami używana jest np. energia pochodząca z fal UV z baterii słonecznych, którymi pokryty jest taki robot, fal radiowych krążących w powietrzu czy też po prostu z ruchów samego powietrza.

Według naukowców na pierwsze poważniejsze efekty musimy poczekać do roku 2030. Jeśli rzeczywiście sztuka tworzenia malutkich robotów zostanie opanowana, rysuje się przed nimi świetlana przyszłość. Nanoroboty będzie można wykorzystywać do zadań, o których dziś nam się nawet nie śniło, np. w medycynie do usuwania komórek rakowych czy bezpośredniego aplikowania lekarstwa w organizmie człowieka.

Hipotetyczne dziś jeszcze zastosowania nanitów można mnożyć. Będą one w stanie np. wnikać w skomplikowane mechanizmy i naprawiać je bądź serwisować od środka czy też regenerować od wnętrza zniszczone materiały.

Można wyobrazić też sobie nanomaszynę do zadań szpiegowskich czy kontrolowania i pomiaru emisji niebezpiecznych substancji. Choć nanoroboty wydają się dziś fantastyką, to jednak postęp technologiczny sprawia, że już niebawem mogą być równie popularne co ich znacznie więksi kuzyni.