Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Pod rufą rakiety leżało na osłonecznionym piasku coś rozpryśniętego czarno, jak rozpękły worek śrutu (...) po prostu mnóstwo nadzwyczaj drobnych grudek, rozsypujących się w palcach na gruboziarniste, lśniące tłusto, metalowe opiłki. (...)
– Posyłają nam zegarki... – słabym głosem powiedział Chemik, kiedy z kolei odjął oko od mikroskopu.
W polu widzenia leżały, rozsypane rulonikami i łańcuszkami, dziesiątki i setki malutkich zębatek, mimośrodów, sprężynek, pogiętych osiek – przesuwali mikroskopowy stolik, sypali pod obiektyw nowe próbki i wciąż widzieli to samo...
W fantastycznonaukowej powieści „Eden” z 1959 r. Stanisław Lem opisuje kontakt z obcą cywilizacją, która, chcąc izolować przybyszów z Ziemi, ostrzeliwuje ich deszczem mikrorobotów – mikroskopijnych mechanizmów zdolnych do tworzenia konstrukcji z dowolnych napotkanych materiałów.
Słowo „robot” zazwyczaj przywodzi na myśl mechaniczne ramiona, np. zwinnie operujące wokół karoserii samochodowych na fabrycznej taśmie. Niedawno świat obiegły doniesienia o pierwszych robotach, które potrafią się sprawnie poruszać na czterech bądź dwóch nogach – choć te ostatnie wciąż muszą być zasilane i sterowane z zewnątrz.
Najmniejszy możliwy piechur
Spróbujmy teraz przenieść się do mikroświata. Czy możliwe jest zbudowanie robota wielkości mrówki? Albo – idąc dalej – bakterii? Jakie wyzwania technologiczne trzeba pokonać i jakie są możliwe zastosowania?
Zacznijmy od tego, że poruszanie się w skali mikro bardzo różni się od tego, z czym mamy do czynienia na co dzień, przy rozmiarach rzędu metrów czy centymetrów.
W mikroświecie pływanie w jakiejkolwiek cieczy przypomina poruszanie się w gęstym miodzie – nie można liczyć na siły bezwładności, które wykorzystujemy na basenie.
Z kolei chodzenie po „suchym lądzie” wymaga pokonania ogromnych sił przyczepności: kapilarnych, pochodzących od wilgoci znajdującej się praktycznie na każdej powierzchni, oraz tzw. sił van der Vaalsa, wynikających z oddziaływań międzyatomowych. Znając maksymalne siły, które potrafią wytwarzać mięśnie zwierząt, można oszacować, że najmniejszy piechur poruszający się po suchym podłożu mógłby mierzyć ok. 200 mikrometrów, czyli dwie średnice ludzkiego włosa. Mniejszy po prostu nie będzie w stanie oderwać nogi od powierzchni, na której stoi.
Szybkie przeszukanie systematyki gatunków pozwala się przekonać, że ewolucja zapełniła i tę niszę: samce pasożytniczej osy z gatunku Dicopomorpha echmepterygis, uważane za najmniejsze zwierzęta lądowe, mają nieco poniżej 150 mikrometrów.
Współczesne technologie umożliwiają co prawda wykonanie elementów mechanicznych o mikronowych rozmiarach, gdyby jednak chcieć budować mechaniczne, „zegarowe” napędy, przekładnie, zawiasy czy elementy wykonawcze – jak wyobrażał je sobie Lem – napotkamy na gigantyczne siły tarcia.
Nie tędy więc droga do mikrorobotyki.
Muskuł dla robota
Za autonomicznego robota można uznać mechanizm, który potrafi się poruszać bez przekazu pędu z otoczenia – nie możemy więc np. popychać go zewnętrznym polem elektrycznym czy magnetycznym. Oraz, jeśli ma być sterowany z zewnątrz, np. przez oświetlanie, to musi być to sterowanie globalne, czyli niewymagające znajomości położenia robota ani jego elementów (np. kończyn).
Ale żeby odpowiedzieć na pytanie, jak wprawić takiego robota w ruch, trzeba się bliżej przyjrzeć pewnemu dobrze już na pozór znanemu typowi związków. Chodzi o ciekłe kryształy.
Odkryte na przełomie XIX i XX wieku, z jednej strony zachowują się jak ciecze – czyli płyną – z drugiej zaś wykazują pewne uporządkowanie cząsteczek, charakterystyczne dla kryształów. Dziś powszechnie używa się ich w wyświetlaczach i monitorach, gdzie własności optyczne cienkiej warstwy ciekłego kryształu zmieniają się po przyłożeniu pola elektrycznego.
Ciekłe kryształy można spolimeryzować, czyli sprawić, żeby ich cząsteczki połączyły się w duże struktury. Stają się wówczas ciałem stałym, zachowując cząsteczkowy porządek. Najbardziej znanym ciekłokrystalicznym polimerem jest kewlar – niezwykle mocne włókno używane do wytwarzania kamizelek kuloodpornych i zaawansowanych kompozytów w przemyśle lotniczym i stoczniowym. Ale jeśli polimeryzacja nie jest całkowita, można otrzymać tworzywo o konsystencji gumy, które wykazuje ciekawe własności, zależnie od uporządkowania cząsteczek.
Materiały takie – ciekłokrystaliczne elastomery – mogą zmieniać kształt pod wpływem zewnętrznych bodźców: temperatury, natężenia światła czy stężenia pewnych substancji w otoczeniu. Zmiana ta może być duża, nawet kilkadziesiąt procent skrócenia, odwracalna i, jeśli element jest mały, może być bardzo szybka – zachodzić aż dziesiątki razy na sekundę.
Wszystkie te cechy sprawiają, że ciekłokrystaliczne elastomery mogą być doskonałymi kandydatami na „mięśnie” dla mikrorobotów.
Mikroskoczek
Przed czterema laty grupa badaczy z instytutu LENS we Florencji postawiła sobie ambitny cel: zaprojektować i zbudować pływającego bądź kroczącego robota o rozmiarach nie większych niż kilkadziesiąt mikrometrów. Jako że nie mamy obecnie do dyspozycji żadnych przenośnych źródeł energii tej wielkości, robot musiałby czerpać energię z otoczenia, np. absorbując światło o określonej barwie. Natężeniem światła można by nim również sterować – np. tak, żeby robot poruszał się w kierunku źródła (znany wśród żywych organizmów fototropizm), bądź przeciwnie – uciekał od niego.
Choć ciekłokrystaliczne elastomery były bardzo obiecującym materiałem do budowy takiego mikrorobota, to kiedy projekt PHOTBOTS się zaczynał, nikt nie umiał z nich w powtarzalny sposób wytwarzać elementów w mikroskali.
Z pomocą przyszła, stosowana dotąd z tradycyjnymi polimerami, technika laserowego druku 3D. Przy pomocy silnie zogniskowanej wiązki lasera można, warstwa po warstwie, utwardzać ciekły kryształ, tworząc dowolnie zaprojektowane struktury. Po dwóch latach współpracy chemików i fizyków udało się po raz pierwszy zademonstrować trójwymiarowe elementy z ciekłokrystalicznego elastomeru o rozmiarach kilkudziesięciu mikrometrów. Oraz, co ważne, o zadanym uporządkowaniu molekuł w całej jego objętości – tak żeby zmieniały kształt pod wpływem światła lasera.
Ciało pierwszego elastomerowego robota (na zdjęciu) jest w istocie mięśniem napędzającym swoimi skurczami cztery polimerowe, sztywne nogi. Robot może po oświetleniu laserem poruszać się po powierzchni szkła. Na innych podłożach wykonuje skoki na odległość nawet sto razy większą niż jego długość.
Pływanie, jak na razie, okazało się dużo trudniejsze – przewodnictwo cieplne wody, bardzo duże w porównaniu z powietrzem, utrudnia szybkie zmiany kształtu polimerowych mięśni.
Zamiast skalpela
Do czego jednak taki robot mógłby służyć?
Technologie mikrorobotyki są na tyle nowe, że zastosowania powstają na razie głównie w wyobraźni badaczy. Można by, na przykład, miliardy robotów wielkości ziarna piasku rozsypywać na skażonym chemicznie bądź promieniotwórczo obszarze, żeby znalazły, zebrały i przeniosły w bezpieczne miejsce rozproszone zanieczyszczenia. Stanisław Lem wyobrażał sobie też zastosowania militarne: każdy z rzeszy miniaturowych piechurów niesie odrobinę substancji wybuchowej. Przenikając do sztabu wroga przez najmniejsze szczeliny, zbierają się tam, gromadząc dostateczną ilość śmiercionośnego materiału. Mikro- armie mogą zupełnie zmienić koncepcję wojen – walka z takim przeciwnikiem tradycyjnymi metodami byłaby trudniejsza niż przysłowiowe strzelanie do wróbli z armaty.
Podobne zastosowania to na razie odległa przyszłość. W tej chwili wyzwaniem, które postawili sobie naukowcy z LENS, jest próba kontrolowania robota za pomocą modulacji wiązki światła, która dostarcza mu energię. Na przykład: świecimy światłem zielonym – robot idzie w prawo, czerwonym – w lewo. Zaś w następnej kolejności – badanie „społecznych” zachowań wielu, mogących ze sobą oddziaływać robotów.
Być może już niedługo zamiast chirurga ze skalpelem nasze tkanki będą naprawiać tysiące mikrorobotów wstrzykniętych do krwiobiegu. Napędzane ciepłem ciała, odnajdą chore miejsca i np. oczyszczą naczynia krwionośne z niebezpiecznych złogów bądź dostarczą leki dokładnie tam, gdzie są one potrzebne.
Lecz na razie mikroskopijni sprzątacze, żołnierze i lekarze stawiają dopiero – dosłownie i w przenośni – pierwsze niepewne kroki. ©
Dr hab. PIOTR WASYLCZYK kieruje Pracownią Nanostruktur Fotonicznych na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, pracował również na Uniwersytecie w Oksfordzie oraz w instytucie LENS we Florencji, gdzie w ramach projektu PHOTBOTS współtworzył opisanego tu mikrorobota. Był stypendystą Fundacji Nauki Polskiej. Zajmuje się optyką nieliniową, pomiarami ultrakrótkich impulsów laserowych oraz wytwarzaniem i badaniem mikrostruktur o ciekawych właściwościach optycznych i mechanicznych (tzw. inteligentnych materiałów), między innymi do zastosowań w mikrorobotyce.
