Помните знаменитого антагониста из «Терминатора 2»? Металлический злодей T-1000 свободно менял свою форму, превращал конечности в оружие и просачивался сквозь препятствия. Эти фантастические способности когда-то казались недостижимой мечтой, но природа, как выясняется, давно освоила подобные трюки. «В детстве, просматривая этот фильм, я был поражен и мечтал о подобных технологиях», — рассказывает профессор Отгер Кампас из Института молекулярной биологии и генетики Макса Планка. «Теперь, работая с эмбрионами, я понимаю, что природа уже реализовала этот механизм. Эмбрионы демонстрируют именно такие трансформации в процессе развития».
Исследовательская группа Отгера Кампаса обратилась к природным процессам, наблюдаемым в эмбриональном развитии — флюидизации и конвергентной экстензии. Эти механизмы позволяют клеткам эмбриона координированно перемещаться, формируя ткани и органы. На основе этих принципов учёные изобрели роботизированную систему, где каждый элемент функционирует подобно эмбриональной клетке. Коллективно эти роботы образуют материал, способный трансформироваться и изменять свои физические свойства, что напоминает способности вымышленного T-1000.
В отличие от фильма, где принцип работы мимического полисплава остался загадкой, исследователи искали вдохновение в реальных биологических системах. Ускоренная съемка развития эмбрионов демонстрирует удивительную способность тканей переключаться между жидким и твердым состояниями в зависимости от фазы формирования органов. «Мы задались вопросом: как разработать роботов, способных имитировать эти природные процессы?» — поясняет Кампас.
Исследователи сосредоточились на трех ключевых биологических свойствах, определяющих уникальные возможности эмбриональных клеток. Первое — относительная мобильность клеток при сохранении тесного контакта. Второе — сигнальные системы, позволяющие клеткам реагировать на молекулярные маркеры и координировать направление движения. Третье — способность клеток образовывать прочные адгезивные связи, формируя интегрированную систему.
Для воплощения этих принципов инженеры оснастили каждого робота системой моторизованных шестерен по периметру. Эти шестерни могут взаимодействовать с аналогичными элементами соседних роботов, обеспечивая относительное перемещение без нарушения целостности системы — подобно клеткам в живом организме.
Взаимная фиксация роботов осуществляется посредством вращающихся магнитов, поддерживающих сцепление независимо от пространственной ориентации. Каждый робот также оборудован фотодетектором, чувствительным к поляризации света, что позволяет передавать управляющие сигналы при помощи простого фонарика с поляризационным фильтром. «Переключение между агрегатными состояниями регулируется изменением силовых воздействий, создаваемых моторами, причем интенсивность этих воздействий кодируется интенсивностью светового сигнала», — объясняет Мэтью Девлин, ведущий автор исследования из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Реагируя на световые команды, два роботизированных коллектива, насчитывающие в общей сложности 20 единиц, способны вытягиваться навстречу друг другу, соединяться в центральной точке и образовывать мостовую конструкцию, выдерживающую нагрузку около 5 килограммов. Сформировав кубическую структуру, система может поддерживать вес взрослого человека (приблизительно 70 килограммов). Роботы также демонстрируют способность обтекать предметы, принимая комплементарную форму, и затвердевать, функционируя как механический инструмент. «Это именно та концепция изменения формы, которую мы наблюдаем в "Терминаторе". Именно это мы и стремились воспроизвести», — подчеркивает Кампас.
Основное ограничение текущей версии — размер роботов, составляющий более 5 сантиметров в диаметре. Для приближения к характеристикам фантастического мимического полисплава необходима существенная миниатюризация компонентов системы.
«Позитивный момент заключается в том, что нам не требуется достигать микроскопических масштабов живых клеток», — отмечает Кампас. «Биологические клетки имеют размер около 10 микрон. Однако роботы размером порядка 100 микрон или даже до 1 миллиметра уже представляли бы значительный технологический прорыв». К сожалению, современные технологические возможности пока не позволяют создавать функциональные системы столь малого размера.
По оценкам исследовательской группы, роботы с аналогичной функциональностью потенциально могут быть уменьшены до 1-2 сантиметров в диаметре. «На текущем этапе развития технологий невозможно создать устройство размером с рисовое зерно, обладающее всеми необходимыми функциями, однако в течение ближайшего десятилетия такая задача может стать выполнимой», — прогнозирует Кампас. Впрочем, даже при решении проблемы миниатюризации остаются нерешенными вопросы энергообеспечения многокомпонентной роботизированной системы.
В экспериментальной установке роботы питались от литий-ионных аккумуляторов, обеспечивающих около 30 минут непрерывной работы. Примечательно, что значительное энергопотребление наблюдается только в моменты изменения формы, тогда как в статичном состоянии энергозатраты минимальны. Существенное ограничение текущего прототипа — необходимость индивидуальной зарядки каждого робота. Такой подход приемлем для экспериментальной системы из 20 единиц, но становится критически неэффективным при масштабировании до сотен или тысяч компонентов. Перспективное решение данной проблемы исследователи видят в технологиях беспроводной передачи энергии на значительные расстояния, хотя эта область также требует существенного развития.
Представленная разработка в первую очередь является концептуальным доказательством возможности создания материала с управляемыми физическими свойствами и изменяемой формой.
«Важно понимать, что мы пока далеки от создания полного аналога T-1000 из "Терминатора". Это не произойдет в ближайшем будущем», — подчеркивает Кампас. «Любой специалист в области микромеханики подтвердит, что это чрезвычайно сложная задача». Тем не менее, исследование представляет научному сообществу модель функционирования материала, подобного фантастическому полисплаву, и определяет миниатюризацию в качестве основного технологического вызова. «Наша цель состояла в том, чтобы вдохновить энтузиастов на реализацию этой концепции», — заключает Кампас.