Η εικόνα μικροσκοπικών ρομπότ που πλοηγούνται σε λαβύρινθους σαν να τα έλκει η βαρύτητα μιας αόρατης μαύρης τρύπας, μοιάζει εξωπραγματική. Ωστόσο, ερευνητές από το University of Pennsylvania έκαναν αυτό το σενάριο πραγματικότητα, αξιοποιώντας την ίδια τη μαθηματική γλώσσα της γενικής σχετικότητας του Albert Einstein για να καθοδηγήσουν ρομπότ μικρότερα από έναν κόκκο άμμου.
Η ομάδα του Marc Miskin, με τον διδακτορικό φοιτητή William Reinhardt, σχεδίασε ρομπότ μήκους λιγότερου από ένα χιλιοστό, τα οποία κινούνται χωρίς ηλεκτρονικά συστήματα πλοήγησης ή επικοινωνίας. Το μυστικό τους είναι το φως. Κάθε πλευρά του ρομπότ σε σχήμα «Η» διαθέτει μια σειρά μικροσκοπικών ηλιακών κυττάρων που συνδέονται με ηλεκτρόδια. Όταν πέφτει φως στα κύτταρα, δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο που αλληλεπιδρά με τα ιόντα ενός υγρού διαλύματος, προκαλώντας ώθηση προς την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, ρυθμίζοντας την ένταση του φωτός σε κάθε πλευρά, οι ερευνητές μπορούν να «στρίψουν» το ρομπότ με ακρίβεια.
Η πραγματική καινοτομία όμως βρίσκεται στον τρόπο που οι επιστήμονες σχεδιάζουν τα φωτεινά μοτίβα. Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η γενική θεωρία της σχετικότητας. Χρησιμοποιώντας εξισώσεις αριθμητικής σχετικότητας, οι ερευνητές μετατρέπουν τον λαβύρινθο σε έναν εικονικό χώρο. Σε αυτόν, το ρομπότ ακολουθεί ευθείες γραμμές προς τον στόχο, όπως ακριβώς τα σωματίδια και το φως κινούνται ευθύγραμμα στον τετραδιάστατο χωροχρόνο, παρόλο που η πορεία τους φαίνεται καμπυλωμένη γύρω από βαρυτικά σώματα. Στη συνέχεια, ο εικονικός χάρτης μετατρέπεται πίσω σε πραγματικό φωτεινό πεδίο, το οποίο καθοδηγεί το ρομπότ στο πειραματικό περιβάλλον.
Το πιο σκοτεινό σημείο του φωτεινού μοτίβου αντιστοιχεί στον τελικό στόχο, λειτουργώντας σαν «μαύρη τρύπα» που τραβά τα ρομπότ. Όταν τοποθετούνται απλώς μέσα στο πεδίο φωτός, τα μικρορομπότ ξεκινούν μόνα τους και ακολουθούν την προκαθορισμένη πορεία, χωρίς καμία άλλη παρέμβαση. «Το μόνο που χρειάζεται είναι να το αφήσεις εκεί και να περιμένεις», σχολίασε ο Miskin, περιγράφοντας την απλότητα αλλά και την κομψότητα της διαδικασίας.
Μέχρι σήμερα, η καθοδήγηση μικρορομπότ ήταν συχνά μια επίπονη διαδικασία που απαιτούσε συνεχή παρακολούθηση και χειρισμό με μαγνητικά πεδία ή άλλες δυνάμεις, σαν να κινούσε κανείς μαριονέτες. Η νέα προσέγγιση προσφέρει ένα διαφορετικό μοντέλο: αντί τα ρομπότ να κουβαλούν πολύπλοκα «χαρτογραφικά» δεδομένα, η ίδια η πληροφορία για την πλοήγηση ενσωματώνεται στο πεδίο που τα κατευθύνει. Αυτό ελευθερώνει πόρους, αφήνοντας περιθώριο να χρησιμοποιηθεί η περιορισμένη μνήμη των ρομπότ για άλλες λειτουργίες.
Ο Daniel Goldman από το Georgia Institute of Technology, που δεν συμμετείχε στη μελέτη, χαρακτήρισε το επίτευγμα «όμορφη αναγνώριση» της δύναμης των μαθηματικών της σχετικότητας στην καθοδήγηση ρομπότ. Ο συνάδελφός του Zeb Rocklin επισήμανε ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν νευρωνικά δίκτυα για τον σχεδιασμό των φωτεινών χαρτών με πιο γρήγορο τρόπο, αλλά τόνισε πως η μέθοδος της σχετικότητας προσφέρει κάτι μοναδικό: μια καθαρή, ενστικτώδη κατανόηση του προβλήματος και των λύσεων που προκύπτουν.
Πέρα από το ακαδημαϊκό ενδιαφέρον, η τεχνολογία αυτή ανοίγει δρόμους για πρακτικές εφαρμογές. Μικρορομπότ που κινούνται αυτόνομα μέσα σε υγρά περιβάλλοντα θα μπορούσαν στο μέλλον να χρησιμοποιηθούν για στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων, για απομάκρυνση τοξικών ουσιών ή για εξερεύνηση μικροσκοπικών χώρων όπου οι άνθρωποι δεν έχουν πρόσβαση. Η χρήση φωτός αντί για περίπλοκα ηλεκτρονικά κάνει την κατασκευή τους πιο απλή και ενδεχομένως πιο οικονομική.
Εξίσου σημαντικό είναι ότι τα ρομπότ αυτά μπορούν να λειτουργήσουν και ως «μηχανικά εργαστήρια» για τη Φυσική. Παρατηρώντας πώς αντιδρούν σε φωτεινά πεδία που έχουν σχεδιαστεί με βάση τις εξισώσεις του Einstein, οι επιστήμονες μπορούν να δοκιμάσουν ιδέες για τη σχετικότητα σε απτά, χειροπιαστά πειράματα.
[via]
