Nejdřív prostředí změří. Pak do něj sami zasáhnou
Živý organismus nedělá jen to, co mu okolí dovolí. Vnímá ho a zároveň ho mění. Termiti stavějí systémy chodeb, které upravují proudění vzduchu a mikroklima hnízda. Jednobuněční prvoci pomocí řasinek rozhýbávají kapalinu kolem sebe. Rostliny mění chemické i fyzikální podmínky půdy a celé skupiny organismů dokážou během dlouhé doby přetvořit krajinu. Prostředí ovlivňuje jejich chování a jejich chování následně ovlivňuje prostředí.
U mikroskopických robotů zatím tento vztah většinou fungoval jen jedním směrem. Stroj mohl něco změřit a podle výsledku vykonat naprogramovanou reakci, jenže jeho vlastní zásah se nestal součástí dalšího rozhodování. Výzkumníci z Cornellovy univerzity teď v časopise Nature Electronics představili systém, který tuto zpětnou vazbu uzavírá. Mikroroboti reagují na teplotu kapaliny, synchronizují pohyb umělých řasinek, tím kapalinu rozpohybují a přenesou teplo. Změněné teplotní pole pak znovu ovlivní jejich další činnost.
Právě proto je nový experiment zajímavější než další rekord v miniaturizaci. Stroje už pouze neodpovídají na okolí. Jejich reakce se stává příčinou nové změny, na kterou musejí znovu reagovat.
Několik schopností už měli. Nové je, že začaly spolupracovat
Laboratoř fyzika Itaie Cohena se mikrorobotům věnuje dlouhodobě. Předchozí generace zařízení už dokázaly autonomně chodit, získávat informace ze svého okolí, pořizovat jednoduchá měření nebo mezi sebou komunikovat. Samostatně jsou to působivé schopnosti, ale pořád připomínají jednotlivé nástroje uložené v jedné velmi malé krabičce.
Nová práce je spojila do funkčního řetězce. Mikroskopická zařízení obsahují elektronické obvody reagující na teplotu a ovládají umělé řasinky – drobné pohyblivé struktury inspirované biologickými ciliemi. Ty najdeme například u prvoků, kteří jejich koordinovaným kmitáním plavou a zároveň rozhýbávají okolní kapalinu.
Cornellští vědci ale přírodní řasinku jednoduše nezkopírovali. Navrhli mechanismus se dvěma klouby. Když se oba pohybují ve správném pořadí, vznikne asymetrický „pádlovací“ pohyb, který dokáže kapalinu skutečně posouvat jedním směrem. Jeden takový mikroskopický pohyb ovšem téměř nic nezmění. Síla vzniká až spoluprací mnoha prvků.
Padesát čtyři drobných pádel musí zabrat společně
Experimentální pole obsahovalo 54 pohyblivých řasinek. O jejich koordinaci se staraly dva teplotně citlivé elektronické obvody, které vědci popisují jako „leader“ a „follower“. Elektrické impulzy mezi nimi umožnily, aby se jednotlivé pohyby přesně synchronizovaly.
Inspirace tentokrát nepřišla jen od mikroskopických organismů. Princip synchronizace připomíná například světlušky, jejichž blikání se může v početné skupině sladit do společného rytmu. Elektronické mikroroboty samozřejmě nic podobného vědomě nedělají. Obvody si předávají napěťové impulzy a rychlejší oscilátor se stane vedoucím, zatímco druhý se vůči němu ustálí v určitém fázovém posunu.
Výsledkem je ale vizuálně podobný jev: mnoho drobných částí začne pracovat jako jeden celek. A právě tehdy už dokážou okolní kapalinou skutečně pohnout.
Když se oteplí, změní směr
Vědci vyzkoušeli několik způsobů, jak mohou mikroroboti na teplotu reagovat. V nejjednodušším režimu existoval předem nastavený práh. Pod určitou teplotou řasinky čerpaly kapalinu jedním směrem, nad ní se jejich pohyb obrátil a tekutina začala proudit opačně.
Druhá varianta byla jemnější. Rychlost pumpování se průběžně měnila spolu s teplotou, takže systém neznal pouze dva stavy „teplo“ a „zima“, ale mohl svou činnost plynule přizpůsobovat. Třetí režim reagoval na prostorový teplotní gradient. Roboti tak dokázali rozeznat, která strana prostředí je teplejší, a podle toho změnit směr proudění.
Samotná reakce na senzor by ještě nebyla tak neobvyklá. Termostat doma také pozná, že je v místnosti chladno, a zapne topení. Cornellský experiment je zajímavější tím, že pohyb kapaliny začal přemisťovat také samotné teplo. Mikrorobotický systém tak změnil veličinu, kterou předtím měřil.
Vznikla smyčka: teplota ovlivní roboty, roboti ovlivní proudění a proudění změní teplotu. Nová teplota pak znovu ovlivní roboty.
Trochu termit, trochu prvok, pořád ale elektronika
Tady přichází chvíle, kdy nad podobným výzkumem začne část internetu spokojeně přikyvovat a připravovat příspěvek o probouzejících se nanobotech. Nová práce ale neukazuje, že by mikroroboti získali vědomí, vlastní cíle nebo schopnost samostatně se rozhodovat v lidském smyslu.
Všechna pravidla jejich chování stále vytvořili výzkumníci. Elektronický obvod ví, jak reagovat na konkrétní fyzikální podnět, protože tak byl navržen. Ani synchronizace mezi jednotlivými částmi systému není tajemnou kolektivní inteligencí. Jde o fyzikálně a elektronicky řízenou komunikaci.
Přesto je rozdíl proti jednoduchému automatu důležitý. V živé přírodě často nevzniká složité chování proto, že by každá jednotlivá buňka nebo organismus měl kompletní plán výsledku. Vzniká z mnoha lokálních interakcí, které společně vytvoří větší efekt. Právě tento typ chování chtějí konstruktéři přenést do mikrorobotiky.
A zatím jsou jejich roboti ještě poměrně poslušní. To je informace, kterou lze směle doručit konspirátorům společně s mírným zklamáním.
Příště už nemusí sledovat jen teplotu
Teplota je v současném experimentu především dobře kontrolovatelný demonstrační systém. Elektronika mikrorobotů ale v principu nemusí být navázána právě na ni. Autoři počítají s tím, že budoucí verze by mohly sledovat například světlo nebo pH a na změnu reagovat mechanickým pohybem či spuštěním chemického procesu.
Teoretická síla takového systému je snadno představitelná. Pokud by skupina velmi malých zařízení dokázala zjistit, že se na určitém místě změnilo chemické prostředí, společně na změnu reagovat a vlastní činností jej vrátit k požadovanému stavu, dostáváme něco mnohem zajímavějšího než mikroskopický vypínač. Dostáváme lokální regulátor schopný průběžně udržovat určité podmínky.
Cornell proto mezi možnými budoucími oblastmi zmiňuje medicínu a zemědělství. Ve zdravotnictví by podobná technologie jednou mohla pracovat v prostředích, kde záleží na velmi přesné místní reakci na chemické či fyzikální podmínky. V zemědělství by mohla obdobná logika sloužit k práci s lokálními změnami prostředí. Současný experiment ale nic takového ještě neumí a není prototypem léčebného mikrorobota. Jde o důkaz, že základní princip lze vůbec postavit.
Zatím nikam neutíkají. Další generace by ale mohla
Je tu ještě jedno podstatné omezení. V tomto experimentu nejsou mikroroboti volně se pohybujícím hejnem, které se rozeběhne po laboratoři a začne si upravovat podmínky podle svého. Pohyblivé řasinky tvoří uspořádané pole a celý systém pracuje v kontrolovaném kapalném prostředí.
Právě toto chtějí vědci časem změnit. Cohen připouští budoucí verzi, v níž by jednotliví roboti mohli samostatně chodit, komunikovat a podle místních podmínek vykonávat předem určené činnosti. Tam už by se dnešní statické pole proměnilo v něco, co mnohem více připomíná kolektiv malých autonomních jednotek.
Pro konstruktéry je to lákavé právě proto, že při mikroskopických rozměrech nemusí jeden robot zvládnout mnoho. Příroda tento problém řeší opakovaně: jednotlivá buňka, řasinka, mravenec nebo termit má omezené možnosti, jejich velké množství ale dokáže vytvořit chování, které žádný člen skupiny samostatně nezvládne.
Nejdůležitější možná není velikost, ale zpětná vazba
Miniaturní roboti fascinují především tím, že jsou malí. Nová práce ale připomíná, že samotná velikost už přestává být nejzajímavější vlastností. Podstatnější je, co může velké množství velmi jednoduchých mikrostrojů udělat společně, když dostanou schopnost vnímat své okolí a reagovat jeden na druhého.
První experiment pracuje pouze s prouděním kapaliny a teplotou. Pokud se však stejný princip podaří přenést na chemické podněty, volně pohyblivé mikroroboty nebo složitější kolektivní úlohy, začne být hranice mezi pasivním mikrostrojem a adaptivním systémem mnohem zajímavější než dnes.
Nikoli proto, že by stroje začínaly žít. Ale protože se inženýři učí používat jednu z nejúčinnějších strategií života: nevytvářet zařízení, které jen čeká na příkaz, nýbrž systém, jehož chování průběžně vzniká ze vztahu mezi ním a prostředím.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Nature Electronics – Microscopic robots that sense and reshape their environment [2], Cornell University – Microscopic robots inspired by fireflies, cilia, sync to reshape surroundings [3]. img ai generated