研究者らは、光のパターンとアインシュタインの相対性理論の原理を使用して、極小の水泳ロボットを操縦する方法を開発した。この技術は、医療から製造に至るまでの用途に小型ロボットを導入するための第一歩となる可能性がある。
実用化するためのマイクロロボットを開発する際の大きな課題の 1 つは、かさばるセンサーやその他の電子機器を組み込むことなくナビゲーションできるロボットを作成することです。これにより、機械が大きすぎて、望ましい規模 (人体内など) で動作させることができなくなります。この問題を克服する試みとして、ペンシルバニア大学の物理学者は、宇宙船や光が宇宙を横切るのと同じ方法で機械が移動するように指示する「人工時空」を作成しました。
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課題は、迷路の壁に邪魔されることなく、微細な機械を十分な精度で空間内の特定の点に到達できるように誘導することでした。そこで相対性理論が登場しました。アインシュタインの一般相対性理論によると、 重力は質量のある物体の周りの時空を曲げます。光と物体は、塊の周りで曲がっているように見える「直線」測地線 (最短経路) に従います。この好例は重力レンズです。光は宇宙をまっすぐに進みますが、大きな銀河団などの巨大な物体の重力井戸を通過すると、光は曲がって拡大して見えることがあります。
「私たちは、EKロボットがパターン化されたライトフィールドで動作する方法が、一般相対性理論で光がたどる経路と同じであることを示しました」と研究主任著者 かわいそうなマークペンシルバニア大学の電気およびシステム工学の助教授は電子メールで > に語った。 「驚くべきことに、対応関係が正確であるため、ロボットを重力のアナログとして使用することができます。あるいは、一般相対性理論のアイデアをひっくり返して、それらをロボットの誘導に使用することもできます。重力が物体を引き寄せるのと同じように、ロボットを特定の場所に誘導することができます。」
人工時空
この効果を模倣するために、チームは相対性理論を使用して迷路を湾曲した仮想空間としてモデル化しました。迷路内のターゲットへのパスは、モデル内では単純な直線になりました。次に、モデルを 2D ライト マップに変換し直しました。暗い部分はボットを自然に引き寄せ、明るい部分はボットを遠ざけます。迷路の終点は最も暗い場所だった ブラックホール)、障害物がより明るく照らされます。
マイクロボットは人間の髪の毛の幅程度を測定し、光を使用してターゲットに向かって移動したり、ターゲットから遠ざかったりします。 (画像クレジット: Reinhardt 他 / CC-BY 4.0)
最初に配置された場所に関係なく、EK ボットは自然にこれらの測地線に従い、あたかも歪んだ空間を滑り降りるかのように、自動的に壁を避けました。チームは調査結果を2025年11月に雑誌に発表した。 npjロボティクス。
ミスキン氏にとって、この研究は「物理学とテクノロジーの世界間の競争ではなく、両者の架け橋だ」と述べた。 「一方で、相対性理論と光は非常によく理解されており、反応性制御をそれらに結びつけることで、新しい考え方やロボット工学の確立されたツールが生まれます。他方では、一般相対性理論と光学も非常に抽象的（時空の曲がりを考えてください）ですが、ロボット工学は機械論的かつ具体的です（なぜロボットがその動作をするのかを理解するのは非常に簡単です）。既知の光学理論に従って新しいタイプのロボットがどのように動作するかを示すことに加えて、この実験は研究者に「もう少し」の洞察を与えます一般相対性理論、特に 2D 空間における「平坦な時空」の影響の探求において、ミスキン氏は付け加えた。
この迷路の研究は非常に初期の段階であるが、今後 10 年間で実用的な応用が現れる可能性があるとミスキン氏は述べた。
「私たちが検討したいユースケースとしては、根管治療後の歯の検査、すべてがきれいになっていることを確認するための一種の歯科生検、細胞が癌性であることを確認するために局所測定を行った後に腫瘍を除去すること、さらにはバイオ以外では、小さなロボットヘルパーを備えたマイクロチップの組み立てなどが含まれます」とミスキン氏は語った。 「ミクロの世界は興味深い場所です。これらのアイデアが氷山の一角にすぎないとしても、私は驚かないでしょう。」
#顕微鏡の水泳ロボットがアインシュタインの相対性理論を利用して人工時空迷路を移動