Забудьте о процессорах: навигацию для роя микророботов теперь обеспечивает искусственная чёрная дыра

Представьте себе рой микроскопических устройств, которые самостоятельно находят цель, огибая препятствия, словно их ведёт невидимая сила. Им не нужны провода, процессоры или удалённое управление — только специально рассчитанный свет. Эта футуристичная картина стала реальностью благодаря исследователям, применившим принципы общей теории относительности Эйнштейна для создания новой системы навигации. Об этом сообщает Earth.com со ссылкой на исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Управление через "искривление пространства"

Главной проблемой микроробототехники всегда была сложность оснащения устройства размером меньше песчинки полноценной электроникой для навигации и связи. Инженерная команда предложила кардинально иной подход: вместо того чтобы встраивать карту в робота, они "закодировали" её непосредственно в окружающей среде с помощью света. Учёные проецируют на жидкость, где находятся микророботы, особый световой узор, интенсивность которого меняется.

Цель на этой карте обозначена самым тёмным участком, напоминающим "теневую яму" чёрной дыры. Чем дальше от цели, тем светлее становится изображение. В таком искусственном поле роботы естественным образом начинают двигаться "под уклон", к тёмной области, плавно обтекая препятствия. Их траектории словно искривлены под действием гравитации, хотя единственная действующая сила — это свет.

"Просто поместите робота в среду, оставьте его и ждите", — отмечает ведущий автор исследования, физик из Университета Пенсильвании Марк Мискин.

Поскольку всю навигационную работу выполняет заранее рассчитанное световое поле, отпадает необходимость отслеживать каждого робота в реальном времени или передавать им команды. Каждое микроскопическое устройство самостоятельно следует по оптимальному пути, который определяется физикой системы.

Принцип движения и роль теории Эйнштейна

Сами микропловцы имеют простейшую конструкцию в форме буквы "Н" длиной менее миллиметра. Их "крылья" покрыты микроскопическими солнечными элементами, соединёнными с электродами. При попадании света элементы создают вокруг робота слабое электрическое поле. Если поместить такое устройство в жидкость, богатую ионами, возникает крошечная тяга, заставляющая робота плыть.

Ключевой прорыв заключается в алгоритме создания светового узора. Исследователи использовали математический аппарат численной теории относительности, обычно применяемый для моделирования гравитации чёрных дыр и искривления пространства-времени. С его помощью они преобразовали обычный плоский лабиринт с препятствиями в виртуальное искривлённое пространство, где кратчайшие пути к цели обходят стены.

Затем эти рассчитанные "геодезические" траектории были переведены обратно в двумерную карту интенсивности света. Когда её спроецировали на лабораторную чашку Петри, выпущенные в разных точках роботы уверенно поплыли к цели, повторив предсказанные траектории.

"Это прекрасный пример того, как математика общей теории относительности может направлять микророботов", — говорит физик из Технологического института Джорджии Дэниел Голдман, не участвовавший в работе.

Преимущества для роевых технологий и практическое применение

Большинство современных методов управления микророботами предполагает активное внешнее вмешательство — управление каждым устройством по отдельности с помощью магнитных полей или ультразвука. Это накладывает серьёзные ограничения на размеры роя. Новая философия радикально меняет парадигму: контроллером становится сама среда, а роботы остаются предельно простыми и дешёвыми в производстве.

Такой подход идеально подходит для задач, где требуется одновременная координация множества микроагентов. Например, для целевой доставки лекарств внутри организма, мониторинга загрязнений в водных системах или инспекции труднодоступных участков промышленного оборудования. Рой сможет самоорганизованно двигаться по сложному маршруту, в то время как вся вычислительная сложность будет решена один раз при проектировании светового поля.

"Возможно, для создания подобных световых карт было бы быстрее использовать нейронные сети, но в отличие от таких методов-"чёрных ящиков", подход на основе теории относительности даёт глубокое интуитивное понимание проблемы", — считает физик-теоретик Зеб Роклин из Технологического института Джорджии.

Он также отмечает, что такая система может служить уникальным физическим испытательным стендом для проверки идей в области фундаментальной физики.

Текущие ограничения и взгляд в будущее

Пока технология имеет ряд ограничений. Демонстрация проводилась в двух измерениях в прозрачной среде под контролируемым освещением. Для реального применения потребуется научиться создавать трёхмерные световые поля и обеспечить работу в более сложных, непрозрачных средах. Однако концептуальный прорыв уже совершён — доказана возможность переноса логики навигации из электроники робота в физику окружающего пространства.

Перспективы развития связаны с комбинированием этого физически обоснованного подхода с алгоритмами машинного обучения. Искусственный интеллект сможет оптимизировать световые поля для конкретных практических задач, сохраняя при этом прозрачность и предсказуемость, которые дают уравнения теории относительности. Это открывает путь к созданию принципиально новых автономных микророботов, способных выполнять сложные миссии внутри живых организмов или в экстремальных условиях, куда не может проникнуть человек.