Tým amerických vědců představil roboty menší než zrnko soli, kteří se dokážou sami rozhodovat, pohybovat a vnímat okolí bez vnější kontroly. Jde o zásadní milník v miniaturizaci, který otevírá nové možnosti v medicíně, výrobě i výzkumu na buněčné úrovni.
Tým vědců z Pensylvánské a Michiganské univerzity oznámil průlom, který by mohl nově definovat robotiku a konečně ji přiblížit mikroskopickému světu. Ve studii publikované v časopise Science Robotics představují nejmenší programovatelné autonomní roboty na světě: stroje tak malé, že měří jen asi 200 × 300 × 50 mikrometrů, tedy menší než zrnko soli, a jsou schopny samy vnímat, rozhodovat se a pohybovat se bez závislosti na drátech, vnějších magnetických polích nebo dálkovém ovládání.
Pro představu o měřítku: na konec tištěné věty se vejdou desítky těchto robotů a na poštovní známku více než milion. Přesto se jim na tomto malém prostoru podařilo integrovat něco, co je pro všechny praktické účely kompletním robotickým systémem: senzory, elektronický „mozek“, pohonný systém a zdroj energie založený na solárních článcích.
Miniaturizace elektroniky postupuje již desítky let mílovými kroky, ale submilimetrová autonomní robotika je stále velkou výzvou. Fyzikální síly, které dominují mikroskopickému světu (např. viskozita a odpor vzduchu), se velmi liší od těch, s nimiž přicházíme do styku v každodenním měřítku. „Pokud jste dostatečně malí, je tlačení vody jako tlačení dehtu,“ vysvětluje ve svém prohlášení Marc Miskin, vedoucí studie. Robotika se na tomto problému zasekla už 40 let“.
Související článek
Tato „slepá ulička“ nebyla jen otázkou velikosti, ale i fyziky. Při tak malých měřítkách je pohyb ovládán tzv. nízkým Reynoldsovým číslem: setrvačnost prakticky mizí a vše ovládá tření s tekutinou. To, co je pro nás pouhým šplouchnutím, je pro mikroskopického robota jako snaha plavat v medu. Výsledkem je, že mnoho klasických robotických strategií – kola, převody, vrtule – již nejsou praktické nebo vůbec nefungují.
Místo aby se uchýlil k nohám, vrtulím nebo jiným křehkým mechanickým mechanismům, které se v mikroskopickém měřítku obtížně staví, vyvinul Miskinův tým zcela nový pohonný systém. Tito roboti se nepohybují pohybem vlastních částí těla; místo toho vytvářejí elektrické pole, které vytlačuje ionty do okolní tekutiny. Tyto ionty zase přitahují molekuly vody a vytvářejí proud, který pohybuje robotem vpřed bez pohyblivých částí, které by se musely rozbít. „Je to, jako by se robot nacházel v pohybující se řece, ale robot zároveň uvádí řeku do pohybu,“ dodává Miskin.
Researchers at Penn and the University of Michigan have created the world’s smallest, fully programmable, autonomous robots, packing significant capacities into a device smaller than a grain of salt.
— The Wall Street Journal (@WSJ) January 9, 2026
🔗: https://t.co/cp86KVAALQ pic.twitter.com/4PQbsxN5xO
Tento mechanismus je založen na jevu známém jako indukovaná elektroforéza: přivedením velmi malého napětí na mikroskopické elektrody se kolem robota vytvoří proud iontů. V závislosti na tom, jak jsou tyto elektrody navrženy a jak jsou elektrické signály naprogramovány, může proudění robota tlačit dopředu, otáčet ho nebo ho nutit opisovat složitější trajektorie. To vše bez motorů, převodů nebo pohyblivých částí, které by se opotřebovávaly.
Kromě pohybu roboti integrují malý počítač s procesorem, pamětí a senzory, které jsou schopny detekovat například změny teploty s přesností až na třetinu stupně Celsia, což jim umožňuje vnímat a reagovat na své okolí bez vnějšího zásahu. To je možné díky desítkám let pokroku v oblasti podpěťových obvodů a ultrakompaktní elektroniky, které tým spoluautora Davida Blaauwa upravil speciálně pro tento projekt.
Každý robot je v podstatě „systém na čipu“: všechny potřebné komponenty jsou vyrobeny na křemíkovém plátku stejnými technikami, jaké se používají k výrobě počítačových procesorů nebo čipů mobilních telefonů. Nejprve jsou definovány elektronické obvody (procesor, paměť, senzory), poté jsou přidány malé solární články a nakonec jsou integrovány elektrody, které fungují jako pohonný systém. Výsledkem je plochý robot o tloušťce lidského vlasu, který má však všechny základní funkce běžného robota.
„Solární články jsou maličké a generují pouze asi 75 nanowattů energie, což je méně než stotisícina energie chytrých hodinek,“ říká Blaauw. Aby výzkumníci toto omezení překonali, navrhli obvody s velmi nízkou spotřebou energie a zhustili instrukce programu tak, aby se vešly do malé dostupné paměti.
Pro představu: 75 nanowattů je tak málo energie, že běžná LED žárovka v domácnosti spotřebuje asi miliardkrát více. S takovým směšným rozpočtem na energii se počítá každá operace. Obvody musí většinu času „spát“ a probouzet se pouze k měření, rozhodování a činnosti, a to s co nejmenším počtem instrukcí. Tato extrémní konstrukční disciplína připomíná rané mikrokontroléry ze 70. let, ale dovedená do tehdy nemyslitelného rozsahu a účinnosti.
Jednou z nejzajímavějších vlastností těchto robotů je způsob, jakým „sdělují“ data. Vzhledem ke své velikosti nemohou nést antény nebo složité komunikační systémy; místo toho převádějí smyslové informace, jako je například teplota, kterou detekují, do vzorců pohybu, které mohou vědci interpretovat pozorováním jejich „mikroskopického tance“ pod mikroskopem. Blaauw přirovnává tento mechanismus ke způsobu, jakým včely komunikují prostřednictvím tance a předávají užitečné informace bez použití tradičního rádiového vybavení.
Robota lze například naprogramovat tak, aby kmital rychleji, když teplota překročí určitou mez, nebo aby změnil směr, pokud zjistí tepelný gradient. Zvenčí je vidět jen malá tečka, která se pohybuje zdánlivě chaoticky; analýzou trajektorií však mohou vědci rekonstruovat, co robot „říká“. V porovnání s WiFi nebo Bluetooth se jedná o extrémně omezenou formu komunikace, ale pro mnoho lokálních monitorovacích úloh je dostačující.
Klíčovou výhodou této konstrukce je trvanlivost. Díky absenci křehkých pohyblivých částí vydrží roboti opakované manévry s mikropipetami a fungují i několik měsíců, pokud jsou osvětleni vhodným zdrojem světla, který napájí jejich solární články. Jejich schopnost pohybovat se ve složitých vzorcích a koordinovat se ve skupinách, jako hejno ryb, otevírá dveře mimořádným kolaborativním aplikacím.
V laboratorních pokusech vědci prokázali, že mohou řídit kolektivní chování stovek robotů najednou změnou světelných podmínek nebo parametrů kapaliny. Nejedná se o individuální řízení robotů, ale spíše o něco podobného jako řízení hejna: upraví se několik globálních proměnných a skupina koordinovaně reaguje. Tento přístup připomíná robotiku roje, která se již zkoumá u dronů nebo pozemních robotů, ale je převeden do tisíckrát menšího měřítka.
Mikroskopická velikost a autonomie těchto robotů je staví do měřítka srovnatelného s mnoha biologickými mikroorganismy, což má obrovské důsledky. V medicíně by to mohlo umožnit sledovat zdraví jednotlivých buněk, zkoumat biologické mikroprostředí nebo dokonce zasahovat do procesů v buněčném měřítku. Ve výrobě by tito mikroroboti mohli pomoci sestavovat zařízení na mikroskopické úrovni, kam běžné nástroje nedosáhnou. Autoři studie zmiňují potenciální aplikace, jako např:
- Lokální diagnostika: roboti, kteří se pohybují v biologických tekutinách (např. v krvi nebo mozkomíšním moku) a měří teplotu, pH nebo jiné parametry ve velmi specifických oblastech, čímž poskytují informace, které se dnes získávají pouze nepřímo.
- Základní výzkum: nástroje pro studium chování buněk v jejich přirozeném prostředí, aniž by bylo nutné zavádět mnohem větší sondy, které toto prostředí mění.
- Výroba v mikro- a nano-rozměrech: malí „operátoři“, kteří jsou schopni tlačit, uspořádávat nebo sestavovat drobné komponenty ve výrobních procesech čipů, senzorů nebo pokročilých materiálů.
Sami výzkumníci však zdůrazňují, že tyto aplikace jsou ještě daleko. Prozatím se roboti pohybují v přísně kontrolovaném laboratorním prostředí, v jednoduchých kapalinách a za pečlivě vyladěného osvětlení. Aby je bylo možné použít například v lidském těle, bylo by třeba vyřešit problémy, jako je biokompatibilita, bezpečná likvidace robotů po ukončení jejich mise nebo schopnost pracovat ve složitých tekutinách, jako je krev.
Tato práce se přidává k širšímu směru výzkumu v oblasti lékařské mikrorobotiky, kde jiné skupiny zkoumají roboty poháněné magnetickými poli, chemickými reakcemi nebo dokonce živými bakteriemi. Klíčovým rozdílem je zde programovatelná autonomie: zatímco mnoho takových systémů se spoléhá na nepřetržitou externí kontrolu, tito mikroroboti mají na palubě vlastní logiku rozhodování, byť omezenou. Jedná se o důležitý krok směrem k vizi „lékařských robotů“, kteří se lokálně rozhodují na základě toho, co zjistí ve svém okolí.
Klíčem k tomuto průlomu je, že „se nám podařilo integrovat mozek, senzory a pohonný systém do něčeho tak malého, že to sotva uvidíte,“ potvrzuje Miskin. Jakmile máte tento základ, můžete přidávat vrstvy inteligence a nové funkce. To otevírá dveře celé budoucnosti robotiky pod mikroskopem.
Miskinův tým již v předchozí práci demonstroval mikroroboty s ohebnými „nohami“ schopnými chodit, když se na ně přiloží světlo, ale ty byly závislé na vnějších signálech a neměly žádné vlastní výpočetní schopnosti. Nová konstrukce jde o krok dál: nejenže se pohybují, ale rozhodují se, jak se budou pohybovat, na základě toho, co vycítí. To je rozdíl mezi jednoduchým aktuátorem a skutečným robotem.
Takový vývoj také vyvolává otázky o budoucnosti všudypřítomné výpočetní techniky: pokud je možné integrovat senzory, procesory a pohybové systémy do něčeho menšího než zrnko soli, představte si svět, ve kterém se stírá hranice mezi „objektem“ a „robotem“. Stavební materiály, které monitorují svůj vlastní stav, textilie, které se přizpůsobují svému okolí, povrchy, které se samy opravují. Mnoho z těchto myšlenek závisí na schopnosti distribuovat inteligenci a činnost v mikroskopických měřítkách.
Samozřejmě vyvstávají i etické a bezpečnostní otázky: jak kontrolovat šíření takových malých robotů, jak zajistit, aby nebyli využíváni pro tajné sledování nebo vojenské aplikace? Ačkoli se tyto obavy mohou dnes zdát vzdálené – dnešní roboti pracují pouze pod mikroskopem a za velmi specifických podmínek – mnozí technologičtí etici tvrdí, že je lepší začít o nich diskutovat nyní, kdy je tato technologie ještě v počátečním stádiu.
Jedná se o průlom, který představuje nejen mimořádný inženýrský výkon, ale mohl by být také přelomem v medicíně, výrobě a materiálových vědách a hmatatelně nás přiblížit vizi mikroskopických robotů, kteří sami myslí, cítí a jednají. Ještě je před námi kus cesty, ale symbolická milimetrová bariéra již padla: od této chvíle bude úkolem vybavit tyto drobné roboty dalšími schopnostmi, aniž by ztratili to, co je činí jedinečnými, totiž svou téměř neviditelnou velikost.