Микроробот

Первые исследования и концепции миниатюрных роботов появились в начале 1970-х годов в рамках секретных программ для разведывательных агентств США. В числе ожидаемых приложений рассматривались помощь при спасении военнопленных и электронная разведка, однако технологии миниатюризации на тот момент были недостаточно развиты для создания прототипов^[2].

Появление современных микророботов связано с разработкой микроконтроллеров в последнем десятилетии XX века и становлением кремниевых микроэлектромеханических систем (MEMS). По состоянию на 2008 год, самые миниатюрные микророботы использовали приводы типа SDA^[3].

В период с 2009 по 2018 год произошёл сдвиг от теоретических моделей к созданию функциональных беспроводных устройств. Ключевыми направлениями стали разработка новых методов приведения в движение (актюации) с помощью внешних полей (магнитных, световых, акустических), а также создание биогибридных приводов, использующих подвижные бактерии в качестве «моторов»^[4][5]. Компьютерное моделирование таких систем проводилось уже в 2010 году^[6].

Значительный прогресс был достигнут в области роевой робототехники. В 2014 году в Гарварде был продемонстрирован рой из 1024 роботов, способный самостоятельно собираться в различные формы^[7], а SRI International по программе DARPA представил производственных микророботов, умеющих создавать лёгкие и прочные конструкции^[8][9]. В 2015 году ВМС США работали над программой LOCUST по запуску роя из 30 автономных беспилотников^[10]. В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена за проектирование и синтез молекулярных машин, что заложило фундаментальную основу для создания нанороботов^[11]. В 2018 году были продемонстрированы наноразмерные роботы на основе ДНК-оригами, способные к самосборке^[12], и рой из 300 роботов, самоорганизующийся без заранее заданного шаблона^[13].

Этот период ознаменовался прорывами в создании автономных, «живых» и медицинских микророботов.

• 2019: Созданы микророботы, приводимые в движение ультразвуком для манипуляции клетками^[14], и самоходные роботы для удаления урана из сточных вод^[15]. Продемонстрирована успешная доставка клеток в определённые места в теле живой мыши^[16].
• 2020: Учёные создали первых «живых» роботов — ксеноботов, собранных из биологических тканей^[17]. Разработаны извлекаемые гидрогелевые микророботы для доставки лекарств внутрь глаза^[18].
• 2021: Представлены «Ксеноботы 2.0», способные к самовоспроизводству и записи информации^[19][20]. Разработаны роботы для очистки воды от микропластика^[21].
• 2022: Учёные из Корнеллского университета создали автономных микророботов с бортовой КМОП-электроникой («мозгом»), работающих от энергии света^[22].
• 2023: Разработаны акустические микророботы для доставки лекарств в мочевой пузырь мышей^[23] и усовершенствованы летающие роботы-насекомые с повышенной манёвренностью^[24].
• 2024: В Калифорнийском технологическом институте созданы биоразлагаемые микророботы, которые в ходе экспериментов на мышах доставляли препараты к опухолям, приводя к их сокращению^[25]. В Университете штата Вашингтон представлены самые маленькие и лёгкие роботы-насекомые, приводимые в движение сплавом с памятью формы^[25]. В Университете Карнеги — Меллона созданы биороботы «AggreBots» из клеток лёгких человека.
• 2025: Разработаны биогибридные микророботы на основе сперматозоидов для доставки лекарств^[26] и продемонстрирована возможность их отслеживания в реальном времени с помощью рентгеновской флюороскопии^[26]. Началось применение микророботов для ремонта микросхем и точечного удобрения в сельском хозяйстве.

Хотя приставка «микро-» часто используется субъективно, для устранения неоднозначности рекомендуется стандартное определение по масштабу: наноробот имеет размер порядка 1 мкм или способен манипулировать компонентами в диапазоне 1-1000 нм; микроробот — размеры менее 1 мм, миллиробот — менее 1 см, миниробот — менее 10 см, а малый робот — менее 100 см^[1].

Однако в ряде источников к микророботам относят устройства с размерами и более миллиметра, а к нанороботам — превышающие микрометр^[17].

Движение микророботов определяется их назначением и размерами. На субмикронном уровне из-за преобладания вязкостных сил над инерционными (Reynolds < 1) проекты используют необычные способы передвижения — например, имитацию движения жгутиков бактерий или «прыжки», позволяющие проходить по сложным рельефам энергосберегающим способом^[27][28].

Важной задачей при создании микроробота является обеспечение движения при минимальном энергопотреблении. Источником может быть миниатюрная батарея (например, «таблетка»), либо энергия вибраций или света из окружающей среды^[29]. Альтернативой батарее служит питание от внешних полей, что позволяет создавать беспроводные устройства. Основные типы приводов (актюаторов) включают:

• Приводы на основе внешних полей. Наиболее распространённый метод, основанный на дистанционном управлении. К ним относятся магнитные (управление роботами с магнитными наночастицами), световые (фототермический эффект), акустические (ультразвуковые волны) и электрические (электрофорез) приводы. В 2020 году была продемонстрирована система совместного акустического и магнитного управления, позволяющая роям микрочастиц двигаться против потока жидкости^[30].
• Биогибридные приводы. Используются биомоторы, например, подвижные бактерии кишечной палочки (E. coli) в качестве биологических двигателей. Такие битороботы управляются градиентами веществ (хемотаксис), электрическими полями и прочими стимулами.
• Химические самоходные приводы. Движение обеспечивается за счёт химических реакций с окружающей средой. Например, асимметричная конструкция робота позволяет преобразовывать энергию от каталитического разложения пероксида водорода в механическое движение за счёт выделения пузырьков газа.
• Автономные роботы с бортовой электроникой. Прорывом в 2022 году стало создание в Корнеллском университете микророботов размером 100—250 мкм с бортовой КМОП-электроникой («мозгом»). Эти устройства работают автономно, получая энергию от света через фотогальванические элементы.

Фотокаталитические микророботы преобразуют световую энергию в движение и химическую активность. В 2022 году был предложен фотокаталитический подход к проектированию микророботов для фотоактивируемого воздействия на биоплёнки и прочие задачи биомедицины^[31][32]. Движение таких роботов обеспечивается механизмами самодиффузиофореза (за счёт градиента концентрации) или пузырьковой тяги^[33]. В 2023—2024 годах были представлены роботы на основе различных материалов:

• Гематит и диоксид титана (TiO₂) для разложения органических загрязнителей в воде^[34].
• Оксид олова для очистки воды под действием видимого света (разработка СПбГУ, 2023)^[35].
• Композит TiO₂-SiO₂ для захвата и транспортировки микрочастиц и бактерий под действием УФ-излучения (разработка ИТМО, 2023)^[36].
• Оксийодид висмута (BiOI) с легированием медью для борьбы с бактериальными инфекциями (2024)^[37].
• Саморазлагаемые микромоторы на основе фосфата серебра (Ag₃PO₄) для инактивации бактерий (2024)^[38].

Развитие микроробототехники тесно связано с прогрессом в методах микропроизводства. Для создания сложных трёхмерных микроструктур применяются двухфотонная литография и микростереолитография (разновидность 3D-печати). В 2024 году была представлена технология 3D-печати, позволяющая за один цикл создавать сложные объекты, комбинируя несколько материалов с разными свойствами (например, твёрдые и упругие полимеры), что открывает возможности для производства микророботов с интегрированными датчиками и механизмами. В качестве приводов для миниатюрных роботов-насекомых также используются сплавы с памятью формы весом менее 1 миллиграмма.

Микророботы способны перемещаться по различным средам, включая твёрдые поверхности и жидкости. Для этого используются биологически вдохновлённые принципы, адаптированные к микромасштабам^[39][40]. Для оптимизации переместимости необходимо максимизировать точность, скорость и устойчивость, одновременно минимизируя энергопотери^[40].

Ключевыми параметрами при определении эффективности являются длина шага микроробота, а также энергетическая стоимость транспортировки. Длина шага — это расстояние, преодолённое за полный цикл движения, а энергетические затраты определяют работу, необходимую для перемещения единицы массы робота на единицу расстояния^[40].

Микророботы, передвигающиеся по поверхности, могут использовать ходьбу, ползание, катание или прыжки. Эффективность движения по поверхности описывается числом Фруда (Fr), определяемым по формуле: ${\displaystyle Fr={\frac {v^{2}}{g*\lambda _{s}}}}$ где v — скорость, g — тяжесть, 𝞴_s — длина шага. При низком числе Фруда робот движется медленно и устойчиво, при высоком — быстрее, но меньше устойчивость.

Примером ползающего микроробота может служить RoBeetle — автономный робот массой 88 мг (как три зёрнышка риса), движущийся за счёт каталитического сгорания метанола и использующий искусственные микромышцы^[41]. В 2024 году инженеры из Университета штата Вашингтон представили самых маленьких и лёгких в своём классе биомиметических роботов — «мини-жука» (8 мг) и «водомерку» (55 мг), которые передвигаются со скоростью около 6 мм/с за счёт приводов из сплава с памятью формы^[42][43]. К альтернативным методам приводов для передвижения по поверхности относятся магнитное, электромагнитное, пьезоэлектрическое, электростатическое и оптическое возбуждение.

Плавающие микророботы предназначены для трёхмерного передвижения в жидкой среде (биологические жидкости, вода) и используют стратегии, вдохновлённые микробами — жгутиковое, химическое, реактивное движение или колебания хвоста. Они работают в режиме низкого числа Рейнольдса — вязкостные силы доминируют, а инерционные практически пренебрежимы. Такая специфика позволяет реализовать точные перемещения и использовать микророботов в медицине, микроманипуляции и мониторинге окружающей среды.

Вязкостное сопротивление описывается уравнением: ${\displaystyle T=T_{drag}={\frac {bv}{m}}}$ где b — коэффициент вязкости, v — скорость, m — масса.

Примеры: спиральный магнитный микроробот с вращающимся хвостом и магнитной «головой», имитирующий движение бактерии-жгутиконосца^[44]. Изменяя внешний магнитный момент, можно управлять направлением движения такого робота. Другим примером являются биогибридные микророботы на основе сперматозоидов, представленные в 2025 году. В этой технологии подвижные клетки покрывают магнитными наночастицами, что позволяет управлять их движением с помощью внешнего магнитного поля и отслеживать их положение с помощью рентгеновской флюороскопии для адресной доставки лекарств или диагностики^[45].

Когда микроробот движется по границе раздела воздух-жидкость, он может использовать поверхностное натяжение и силы, обусловленные капиллярными эффектами. Свойства поверхности позволяют ему не тонуть, а перемещаться, ползать или прыгать по воде. Балансировка обеспечивается соотношением между силами поверхностного натяжения, плавучести и кривизны: ${\displaystyle \sigma =F_{b}+F_{c}}$ где F_b — интеграл по гидростатическому давлению, F_c — сила от вертикального компонента поверхностного натяжения^[46].

Пример — Harvard Ambulatory MicroRobot с системой электроадгезии (HAMR-E), способный ползать как по горизонтальным, так и по вертикальным и даже инвертированным поверхностям^[47]. Электроадгезия реализуется за счёт действия электростатических сил между лапками и поверхностью^[48]. Благодаря особой конструкции лапок такой робот может одинаково уверенно держаться на стекле, дереве и металле.

Летающие микророботы сконструированы для движения в воздухе по принципу полёта насекомых или птиц, что усложняет задачи подъёма, тяги и управления при столь малых размерах. Активный полёт — самый энергоёмкий тип передвижения, так как требует подъёма собственного веса. Обычно такие роботы используют крылья из пьезоэлектрических материалов, позволяющие точно управлять полётом^[49].

Необходимая мощность для зависания выражается как: ${\displaystyle mg=2*\rho *l^{2}*\phi *\upsilon _{i}^{2}}$ где m — масса, L — длина крыла, Φ — амплитуда взмахов, ρ — плотность воздуха, V_i — наведённая скорость воздуха^[50].

Среди прототипов: RoboBee (Гарвард) — имитация полёта пчёлы для автономного опыления и поиска объектов; и DelFly Nimble (Технологический университет Делфта) — микролетательный аппарат, способный маневрировать как дрозофила^[51][52]. В 2023 году исследователи из Массачусетского технологического института усовершенствовали роботов-насекомых, которые при весе меньше скрепки обладают повышенной манёвренностью и способны выполнять сложные манёвры, включая сальто в воздухе.

Благодаря малым размерам микророботы могут быть дёшевы и использоваться массово (роевая робототехника) для исследования сложных, замкнутых или опасных для человека сред. Они находят применение при поиске выживших после катастроф, обследовании труднодоступных пространств организма, а также в задачах точной доставки лекарств. Главный принцип — компенсировать недостаток вычислительной мощности численностью (например, рой из сотен микророботов).

Показанные на практике сценарии включают:

Современные биогибридные микромоторы используются, в частности, для целевой доставки лекарств в мозг, лёгкие и желудочно-кишечный тракт^[53][54]. Одним из ключевых направлений является терапия рака: для этого применяются как магнитоуправляемые бактериальные микророботы^[55][56], так и более новые разработки. Например, в 2024 году учёные из Калифорнийского технологического института представили биоразлагаемые акустические микророботы (BAM), которые в ходе экспериментов на мышах доставляли препараты к опухолям мочевого пузыря, приводя к их значительному сокращению^[57].

Разрабатываются различные методы доставки лекарств в конкретные органы. В 2020 году были представлены извлекаемые гидрогелевые микророботы для доставки препаратов внутрь глаза. Годом позже были созданы мягкие микророботы MANiACs, способные под управлением магнитного поля двигаться против потока жидкости для доставки лекарств в центральную нервную систему. Для лечения заболеваний мочевого пузыря в 2023 году были предложены акустические микророботы, которые в ходе испытаний на мышах доставляли дексаметазон, а для терапии воспалений в желудочно-кишечном тракте — самоадаптирующиеся роботы на основе дрожжей.

Микророботы также находят применение в борьбе с инфекциями и сердечно-сосудистыми заболеваниями. В 2024 году были разработаны фотокаталитические микророботы на основе оксийодида висмута для лечения бактериальных инфекций в глубоких пазухах носа^[58]. Для борьбы с тромбозом и атеросклерозом в 2023 году в РУДН был создан прототип наноробота, доставляющего препараты к сосудистой бляшке, а к 2025 году появились разработки, направленные на удаление тромбов из кровеносных сосудов.

Среди биогибридных систем выделяются разработанные в 2025 году микророботы на основе сперматозоидов, покрытых магнитными наночастицами. Их движение управляется магнитным полем, а отслеживание в реальном времени осуществляется с помощью рентгеновской флюороскопии. Другие применения включают манипуляцию отдельными клетками с помощью ультразвука (2019), проведение биопсии на микроуровне (2020)^[59] и доставку клеток в определённые места в теле живой мыши (2019). Испытания большинства таких систем проводятся на лабораторных животных.

Микророботы находят применение в решении экологических задач, в первую очередь для очистки воды от различных загрязнителей.

В 2019 году были созданы самоходные микророботы для удаления урана из сточных вод. Эти устройства, управляемые с помощью магнитного поля, имеют пористую структуру, которая эффективно захватывает радиоактивные частицы. Для борьбы с тяжёлыми металлами в 2022 году была предложена разработка термочувствительных магнитных нанороботов, способных удалять, в частности, мышьяк из загрязнённой воды. Роботы связываются с частицами металла в холодной воде, после чего их собирают магнитным полем и перемещают в тёплую среду, где происходит высвобождение загрязнителя, что позволяет использовать роботов повторно^[60][61].

Одним из ключевых направлений стало удаление микропластика. В 2021 году чешские учёные разработали технологию очистки воды от частиц пластика и связанных с ними патогенов. В 2023 году исследователи из Южной Кореи представили нанороботов на основе пигмента «берлинская лазурь», способных улавливать до 99 % микропластика^[62].

Фотокаталитические микророботы используются для разложения органических загрязнителей. В 2023 году были представлены магнитные микророботы на основе гематита и диоксид титана, которые под действием света продемонстрировали высокую эффективность в разложении стойких гербицидов.

Термин «живые» роботы относится к автономным устройствам, созданным из биологических тканей. В отличие от традиционных роботов, они не имеют металлических или пластиковых компонентов и способны к самоорганизации, самовосстановлению и взаимодействию с биологической средой.

Ксеноботы — первые в мире «живые роботы», созданные в 2020 году учёными из Университета Тафтса и Университета Вермонта. Они представляют собой программируемые организмы размером менее 1 мм, собранные из стволовых клеток эмбрионов африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). В их конструкции клетки кожи служат пассивным каркасом, а сокращающиеся клетки сердечной мышцы — «двигателем»^[63].

В 2021 году была представлена версия «Ксеноботы 2.0», которая передвигается с помощью ресничек, способна к более быстрой самосборке и может существовать месяцами в питательной среде^[64]. Ключевыми способностями ксеноботов являются:

• Запись информации. Благодаря встроенному флуоресцентному белку, меняющему цвет под воздействием света, ксеноботы могут фиксировать информацию об окружающей среде, демонстрируя форму молекулярной памяти^[64].
• Самовоспроизводство. В конце 2021 года была открыта уникальная форма биологического размножения — кинематическая репликация. Ксеноботы, которым с помощью ИИ придали С-образную форму, способны собирать отдельные клетки в скопления, которые затем развиваются в новые поколения ксеноботов.

Потенциальные сферы применения ксеноботов включают очистку окружающей среды от микропластика и адресную доставку лекарств^[65]. В 2024 году начались доклинические испытания по их использованию для доставки химиотерапевтических препаратов к раковым опухолям^[66][67].

В конце 2023 года учёные из Университета Тафтса и Института Висса при Гарвардском университете создали антроботов — биороботов из клеток человека^[68]. В отличие от ксеноботов, они создаются из взрослых клеток трахеи человека без каких-либо генетических модификаций и способны к самосборке в лабораторных условиях^[69].

Размер антроботов варьируется от ширины человеческого волоса до кончика карандаша. Их движение обеспечивается ресничками на поверхности клеток, которые в организме очищают дыхательные пути, а в конструкции робота работают как вёсла^[70].

Ключевым открытием стал их терапевтический потенциал. В ходе эксперимента рой антроботов смог «залечить» разрыв в слое повреждённых человеческих нейронов, выращенных в чашке Петри, стимулируя их рост^[68][71]. Поскольку антроботов можно создавать из собственных клеток пациента, это позволяет избежать иммунного ответа организма. В будущем их планируется использовать для очистки артерий, борьбы с бактериями или раковыми клетками^[68].

Роевая робототехника находит применение в задачах, где требуется координация большого числа автономных агентов без централизованного управления. Принципы самоорганизации и эмерджентного поведения позволяют роям роботов выполнять сложные задачи в строительстве, исследовании космоса и промышленности.

Одним из ярких примеров в строительстве является проект TERMES, разработанный в Гарвардском университете (ок. 2015 года). Вдохновлённые поведением термитов, эти роботы-строители способны коллективно возводить сложные трёхмерные конструкции из блоков, следуя простым локальным правилам и не имея общего плана. Координация действий достигается за счёт стигмергии — косвенного взаимодействия через изменения в окружающей среде^[72][73].

В области исследования космоса перспективным является проект «Teraflop Swarm» (2019), в рамках которого рой роботов способен адаптировать свои стратегии поведения непосредственно в процессе выполнения задачи, без подключения к внешним вычислительным ресурсам. Такая автономность делает технологию пригодной для работы в экстремальных и неизвестных средах, например, при добыче полезных ископаемых на астероидах^[74].

Микророботы также находят применение в промышленных и технологических задачах. К 2025 году были разработаны устройства для ремонта сложных микросхем без необходимости полной разборки электроники. В сельском хозяйстве появились микророботы размером с насекомое для точечного внесения удобрений и борьбы с вредителями. Примером микросборки служат трёхмиллиметровые роботы-щетинки (Microbristle bots), напечатанные на 3D-принтере (2019). Управляемые с помощью вибраций, они могут коллективно собираться или рассредотачиваться для выполнения задач^[75].