Roboți autonomi mai mici ca un grăunte de sare pot gândi

Cercetătorii de la Universitatea din Pennsylvania și Universitatea din Michigan au creat cei mai mici roboți autonomi și complet programabili din lume, care pot înota prin lichide, detecta mediul înconjurător și funcționa luni întregi. Aceste mașini microscopice, mai mici decât un grăunte de sare, au fost prezentate miercuri, 18 decembrie, în publicațiile Science Robotics și Proceedings of the National Academy of Sciences, potrivit Science Daily.

Fiecare robot măsoară doar 200 pe 300 pe 50 de micrometri și este abia vizibil fără mărire. Costul de producție este de aproximativ un cent per unitate, iar roboții pot funcționa la aceeași scară cu multe microorganisme vii.

Prima adevărată autonomie la scară microscopică

Spre deosebire de mașinile mici anterioare, acești roboți nu se bazează pe fire, câmpuri magnetice sau controale externe. Aceasta îi face primii roboți cu adevărat autonomi și programabili la o scară atât de mică.

„Am făcut roboți autonomi de 10.000 de ori mai mici”, a declarat Marc Miskin, profesor asistent la Penn Engineering și autorul principal al studiilor. „Aceasta deschide o scară complet nouă pentru roboții programabili”.

Electronica a devenit constant mai mică în ultimele decenii, dar robotica nu a urmat aceeași traiectorie. Independența la dimensiuni sub un milimetru a rămas o provocare nerezolvată timp de 40 de ani.

Fizica microscopică schimbă regulile mișcării

La dimensiuni de zi cu zi, mișcarea este modelată de forțe precum gravitația și inerția, care depind de volumul unui obiect. La dimensiuni microscopice însă, forțele legate de suprafață predomină. Rezistența și vâscozitatea devin copleșitoare, schimbând dramatic felul în care funcționează mișcarea.

„Dacă ești suficient de mic, a împinge apa este ca a împinge prin gudron”, a explicat Miskin. Din cauza acestei schimbări în fizică, designurile robotice convenționale eșuează. Brațele sau picioarele foarte mici tind să se rupă ușor și sunt extrem de dificil de fabricat.

Pentru a depăși aceste limitări, cercetătorii au dezvoltat o modalitate complet nouă prin care roboții să se miște, care funcționează cu fizica lumii microscopice în loc să lupte împotriva ei.

Înot electrochimic înlocuiește părțile mobile

În loc să se îndoaie sau să se flexeze, roboții generează un câmp electric care împinge ușor particulele încărcate din lichidul înconjurător. Când acei ioni se mișcă, ei trag cu ei moleculele de apă din apropiere, creând efectiv mișcare în fluidul din jurul robotului.

„Este ca și cum robotul ar fi într-un râu în mișcare”, a spus Miskin, „dar robotul provoacă și mișcarea râului”. Prin ajustarea acestui câmp electric, roboții pot schimba direcția, urma trasee complexe și chiar coordona mișcarea în grupuri care seamănă cu bancurile de pești. Pot atinge viteze de până la o lungime de corp pe secundă.

Deoarece această metodă de înot folosește electrozi fără părți mobile, roboții sunt remarcabil de durabili și pot fi transferați între probe în mod repetat cu o micropipetă fără deteriorare.

Calculatoare complete pe cipuri microscopice

Adevărata autonomie necesită mai mult decât mișcarea. Un robot trebuie să poată detecta mediul său, să ia decizii și să se alimenteze singur. Toate aceste componente trebuie să încapă pe un cip care este doar o fracțiune de milimetru.

Această provocare a fost preluată de echipa lui David Blaauw de la Universitatea din Michigan. Laboratorul lui Blaauw deține deja recordul pentru crearea celui mai mic calculator din lume.

„Am văzut că sistemul de propulsie de la Penn Engineering și calculatoarele noastre electronice mici au fost făcute unul pentru celălalt”, a declarat Blaauw. Chiar și așa, transformarea acestei idei într-un robot funcțional a necesitat cinci ani de dezvoltare.

Provocări de putere și spațiu

Una dintre cele mai mari obstacole a fost puterea. „Provocarea cheie pentru electronică”, a spus Blaauw, „este că panourile solare sunt mici și produc doar 75 de nanowați de putere. Aceasta este de peste 100.000 de ori mai puțină putere decât cea pe care o consumă un smartwatch”.

Pentru a face sistemul să funcționeze, echipa a proiectat circuite specializate care operează la tensiuni extrem de scăzute, reducând consumul de energie de peste 1.000 de ori. Spațiul a fost o altă constrângere majoră, iar cercetătorii au trebuit să reproiecteze complet modul în care funcționează software-ul robotului.

„A trebuit să regândim total instrucțiunile programului de calculator”, a explicat Blaauw, „condensând ceea ce în mod convențional ar necesita multe instrucțiuni pentru controlul propulsiei într-o singură instrucțiune specială pentru a micșora lungimea programului să încapă în spațiul de memorie minuscul al robotului”.

Senzori de temperatură și comunicare prin dans

Roboții includ senzori electronici de temperatură care pot detecta schimbări de doar o treime de grad Celsius. Această capacitate le permite să se miște către regiuni mai calde sau să raporteze valori de temperatură care pot servi ca indicatori ai activității celulare.

Comunicarea acestor măsurători a necesitat o soluție inventivă. „Pentru a raporta măsurătorile de temperatură, am proiectat o instrucțiune specială de calculator care codifică o valoare, cum ar fi temperatura măsurată, în mișcările unui mic dans pe care îl execută robotul”, a spus Blaauw.

„Apoi privim acest dans printr-un microscop cu o cameră și decodificăm din mișcări ce ne spun roboții. Este foarte similar cu modul în care albinele comunică între ele”.

Aplicații medicale și de fabricație

Aceeași lumină care alimentează roboții este folosită și pentru a-i programa. Fiecare robot are o adresă unică, permițând cercetătorilor să încarce instrucțiuni diferite la unități diferite. Roboții pot funcționa timp de luni întregi alimentați de LED-uri.

Deoarece funcționează la aceeași scară cu multe microorganisme vii, roboții ar putea într-o zi ajuta medicii să monitorizeze celule individuale sau să asiste inginerii în asamblarea dispozitivelor mici folosite în fabricația avansată.

„Aceasta este cu adevărat doar primul capitol”, a spus Miskin. „Am arătat că poți pune o creier, un senzor și un motor în ceva aproape prea mic pentru a fi văzut, și să îl faci să supraviețuiască și să funcționeze luni de zile. Odată ce ai această fundație, poți adăuga tot felul de inteligență și funcționalitate”.