Впервые в мире ученые продемонстрировали, что молекулярные роботы могут доставлять грузы, используя стратегию роения, достигая эффективности транспортировки в пять раз выше, чем у одиночных роботов.
Роевая робототехника — это новая дисциплина, вдохновленная кооперативным поведением живых организмов, которая фокусируется на производстве роботов и их использовании в роях для выполнения сложных задач. Рой — это упорядоченное коллективное поведение нескольких особей. Макромасштабные роевые роботы были разработаны и используются для различных приложений, таких как транспортировка и накопление грузов, формирование форм и строительство сложных конструкций.
Группе исследователей под руководством доктора Мусуми Актера и доцента Акиры Какуго с факультета естественных наук Университета Хоккайдо удалось разработать первые в мире работающие микромашины, использующие преимущества роения. Результаты были опубликованы в журнале Science Robotics. В состав группы входили доцент Дайсуке Иноуэ, Университет Кюсю; профессор Генри Хесс, Колумбийский университет; профессор Хироюки Асанума, Нагойский университет; и профессор Акинори Кудзуя, Кансайский университет.
Рой взаимодействующих роботов приобретает ряд характеристик, которых нет у отдельных роботов — они могут разделять рабочую нагрузку, реагировать на риски и даже создавать сложные структуры в ответ на изменения в окружающей среде. Микророботы и машины в микро- и наномасштабе имеют очень мало практического применения из-за их размера; если бы они могли сотрудничать в роях, их потенциальное использование значительно увеличилось бы.
Команда построила около пяти миллионов одномолекулярных машин. Эти машины состояли из двух биологических компонентов: микротрубочек, связанных с ДНК, что позволяло им роиться; и кинезин, которые были приводами, способными транспортировать микротрубочки. ДНК была объединена со светочувствительным соединением под названием азобензол, которое функционировало как датчик, позволяющий контролировать роение. Под воздействием видимого света изменения в структуре азобензола заставляли ДНК образовывать двойные нити и приводили к образованию роев микротрубочек. Воздействие УФ-излучения обратило этот процесс вспять.
Груз, использованный в экспериментах, состоял из шариков полистирола диаметром от микрометров до десятков микрометров. Эти шарики обрабатывали ДНК, связанной с азобензолом; таким образом, груз загружался при воздействии видимого света и разгружался при воздействии УФ-излучения. Однако ДНК и азобензол, используемые в молекулярных машинах и грузе, были разными, поэтому роением можно было управлять независимо от загрузки груза.
Отдельные машины могут загружать и транспортировать гранулы полистирола диаметром до 3 микрометров, тогда как целые группы машин могут перевозить грузы диаметром до 30 микрометров. Кроме того, сравнение расстояния и объема транспортировки показало, что стаи были в пять раз более эффективны при транспортировке по сравнению с отдельными машинами.
Показав, что молекулярные машины могут быть сконструированы таким образом, чтобы роиться и сотрудничать для перевозки грузов с высокой эффективностью, это исследование заложило основу для применения микророботов в различных областях. «В ближайшем будущем мы ожидаем увидеть рои микророботов, которые будут использоваться для доставки лекарств, сбора загрязняющих веществ, устройств молекулярной генерации энергии и устройств микрообнаружения», — говорит Акира Какуго.
