Ученые научили роботов плавать по лабиринтам с использованием теории относительности Эйнштейна

США - Информационное агентство Эхбари

Ученые научили роботов плавать по лабиринтам с использованием теории относительности Эйнштейна

В выдающемся научном достижении, объединяющем теоретическую физику и прикладную инженерию, группа исследователей из Пенсильванского университета разработала революционную технологию, позволяющую микроскопическим роботам плавать и перемещаться по сложным лабиринтам, используя принципы общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Эта технология представляет собой многообещающий первый шаг к применению сверхмалых роботов в самых разных областях, от точных медицинских вмешательств внутри человеческого тела до передовых производственных процессов.

Разработка практических микророботов сталкивается с серьезными трудностями, прежде всего, с необходимостью точного и эффективного управления без использования громоздких датчиков или электронных компонентов, которые сделали бы машины слишком большими для работы в желаемом масштабе (например, внутри человеческого тела). Чтобы преодолеть это препятствие, физики Пенсильванского университета создали концепцию "искусственного пространства-времени" – управляемой светом виртуальной среды, которая имитирует способ движения космических кораблей или самого света при пересечении Вселенной, под влиянием искривлений пространства-времени, вызванных массивными объектами.

В исследовании, результаты которого были недавно опубликованы в журнале npj Robotics, ученые погрузили 100-микронные электрокинетические (EK) плавающие роботы (примерно равные ширине человеческого волоса) в ионизированный раствор. Перед этими роботами была поставлена задача навигации по простому лабиринту. Роботы оснащены крошечными солнечными элементами и электродами на обоих концах. Когда солнечные элементы подвергаются воздействию света, они питают электроды, создавая электрическое поле, которое движет роботов через раствор.

Основная проблема заключалась в том, чтобы направлять эти микроскопические машины с достаточной точностью для достижения определенной точки в лабиринте, не позволяя им застревать в стенах. Здесь на помощь пришла теория относительности. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация искривляет пространство-время вокруг массивных объектов. Объекты, включая свет, следуют так называемым геодезическим путям – кратчайшим путям – которые кажутся изогнутыми вокруг этих масс. Классическим примером является гравитационное линзирование, когда свет, путешествующий по прямой линии через космос, может казаться искривленным и увеличенным при прохождении через гравитационную скважину массивного объекта, такого как скопление галактик.

"Мы показали, что поведение EK-роботов в полях структурированного света идентично траекториям, по которым движется свет в общей теории относительности", – сообщил доктор Марк Мискин, доцент кафедры электротехники и системного инжиниринга Пенсильванского университета, в электронном письме Live Science. "Удивительно, но вы можете использовать роботов как аналог гравитации, поскольку соответствие является точным. Альтернативно, вы можете использовать идеи общей теории относительности для управления роботами: точно так же, как гравитация притягивает объекты друг к другу, вы можете направлять роботов в определенное место".

Для имитации этого эффекта команда смоделировала лабиринт как искривленное виртуальное пространство, используя уравнения теории относительности. Пути к цели внутри лабиринта стали простыми прямыми линиями в модели. Затем модель была преобразована обратно в двумерную световую карту. Темные участки карты естественно притягивали роботов, в то время как более яркие участки отталкивали их. Конечная точка лабиринта представляла собой самый темный участок ( своего рода "фальшивую черную дыру"), а препятствия были ярко освещены.

Независимо от их начального положения, EK-роботы естественным образом следовали этим геодезическим путям, автоматически обходя стены, как будто скользили вниз по склону в искаженном пространстве. Результаты исследования были опубликованы в ноябре 2025 года в журнале npj Robotics.

Доктор Мискин считает, что это исследование служит мостом между мирами физики и технологий. "С одной стороны, относительность и свет очень хорошо изучены; связь реактивного управления с ними открывает новые способы мышления и использование устоявшихся инструментов для робототехники", – отметил он. "С другой стороны, общая теория относительности и оптика также очень абстрактны (вспомните искривление пространства-времени), в то время как робототехника механистична и конкретна (очень легко понять, почему робот делает то, что он делает)". Он добавил, что помимо демонстрации того, как новые типы роботов ведут себя в соответствии с известными теориями оптики, эксперименты дают исследователям "немного больше" понимания общей теории относительности, особенно в изучении влияния "плоских пространств-времен" в двумерных пространствах.

Хотя это исследование навигации по лабиринту является очень ранним этапом, доктор Мискин ожидает появления практических применений в течение следующих десяти лет. Потенциальные сценарии использования включают проверку состояния зубов после лечения корневых каналов для обеспечения полного удаления пораженных тканей, целенаправленное уничтожение опухолей на основе локальных измерений для подтверждения ракового характера клеток, а также, за пределами биомедицины, сборку микрочипов с помощью крошечных роботов-помощников. "Микромир – это увлекательное место; я не удивлюсь, если эти идеи окажутся лишь верхушкой айсберга", – заключил Мискин.

Информационное агентство Эхбари