Werelds Kleinste Autonome Microrobots: 200µm Zwemmers Die Maanden Lang Opereren

Robotics & Automation INSIDER

Een microrobot op een US penny, schaal aanwendend. (Afbeelding: Michael Simari, Universiteit van Michigan)

Onderzoekers aan de Universiteit van Pennsylvania en Universiteit van Michigan hebben de werelds kleinste volledig programmeerbare, autonome robots gecreëerd: microscopische zwemmachines die onafhankelijk hun omgeving kunnen waarnemen en erop reageren, maanden lang opereren en slechts een cent kosten. Nauwelijks zichtbaar voor het blote oog, meet elke robot ongeveer 200 bij 300 bij 50 micrometer, kleiner dan een graanzout. Opererend op de schaal van veel biologische micro-organismen, kunnen de robotica de geneeskunde vooruit helpen door de gezondheid van individuele cellen te monitoren en de productie, door het helpen construeren van microscopische apparaten.

Aangedreven door licht, dragen de robots microscopische computers en kunnen geprogrammeerd worden om in complexe patronen te bewegen, lokale temperaturen te voelen en hun paden dienovereenkomstig aan te passen.

Beschreven in Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), opereren de robots zonder tethers, magnetische velden of joystick-achtige controle van buitenaf, wat ze de eerste echte autonome, programmeerbare robots op deze schaal maakt.

Decennialang zijn elektronica kleiner en kleiner geworden, maar robots hebben worsteld om tempo te houden. "Robots bouwen die onafhankelijk opereren op maten onder één millimeter is ongelooflijk moeilijk," zei Miskin. "Het vakgebied is eigenlijk 40 jaar lang op dit probleem vastgelopen."

De krachten die de menselijke wereld domineren, zoals zwaartekracht en inertie, hangen af van volume. Krummel af naar de grootte van een cel, en krachten gebonden aan oppervlakte, zoals wrijving en viscositeit, nemen over. "Als je klein genoeg bent, is duwen op water als duwen door teer," zei Miskin. Met andere woorden, op microschaal slagen strategieën die grotere robots bewegen, zoals ledematen, zelden. "Heel kleine poten en armen zijn gemakkelijk te breken," zegt Miskin. "Ze zijn ook heel moeilijk te bouwen." Dus het team moest een volledig nieuw voortstuwingsysteem ontwerpen, een dat werkte *met* – in plaats van *tegen* – de unieke fysica van locomotie in het microscopische rijk.

Grote waterdieren, zoals vissen, bewegen door water achter zich te duwen. Dankzij Newton's Derde Wet, oefent het water een gelijke en tegengestelde kracht op de vis uit, wat het voorwaarts drijft. De nieuwe robots, in tegenstelling, buigen hun lichamen helemaal niet. In plaats daarvan genereren ze een elektrisch veld dat ionen in de omringende oplossing aanstuwt. Die ionen, op hun beurt, duwen op nabijgelegen watermoleculen, wat het water om het robotlichaam animeert. "Alsof de robot in een bewegende rivier zit," zegt Miskin, "maar de robot veroorzaakt ook de rivier te bewegen."

De robots kunnen het elektrische veld dat het effect veroorzaakt aanpassen, wat hen in staat stelt om in complexe patronen te bewegen en zelfs in gecoördineerde groepen te reizen, als een school vis, met snelheden tot één lichaamslengte per seconde.

En omdat de elektrod die het veld genereert geen bewegende delen heeft, zijn de robots extreem duurzaam. "Je kunt deze robots herhaaldelijk van de ene monster naar de andere overdragen met een micropipet zonder ze te beschadigen," zegt Miskin. Opgeladen door de gloed van een LED, kunnen de robots maandenlang doorgaan met zwemmen.

Om werkelijk autonoom te zijn, heeft een robot een computer nodig om beslissingen te nemen, elektronica om zijn omgeving te waarnemen en zijn voortstuwing te controleren, en kleine zonnepanelen om alles te voeden, en al dat moet passen op een chip die een fractie van een millimeter in grootte is. Hier kwam David Blaauw's team aan de Universiteit van Michigan in actie.

Blaauw's lab houdt het record voor de werelds kleinste computer. Toen Miskin en Blaauw voor het eerst ontmoetten op een presentatie gehost door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) vijf jaar geleden, realiseerde het duo zich direct dat hun technologieën een perfecte match waren. "We zagen dat Penn Engineering's voortstuwingsysteem en onze minuscule elektronische computers gewoon voor elkaar gemaakt waren," zei Blaauw. Toch duurde het vijf jaar harde werk aan beide kanten om hun eerste werkende robot te leveren.

"De sleuteluitdaging voor de elektronica," zei Blaauw, "is dat de zonnepanelen minuscuul zijn en slechts 75 nanowatt vermogen produceren. Dat is meer dan 100.000 keer minder vermogen dan wat een smartwatch verbruikt." Om de robotcomputer op zo weinig vermogen te laten draaien, ontwikkelde het Michigan team speciale circuits die op extreem lage voltages werken en de computerenergieverbruik met meer dan 1000 keer reduceren.

Toch innemen de zonnepanelen de meerderheid van de ruimte op de robot. Daarom was de tweede uitdaging om de processor en geheugen om een programma op te slaan in de weinig ruimte die overbleef te proppen. "We moesten de computerprogramma-instructies volledig herdenken," zei Blaauw, "wat conventioneel veel instructies voor voortstuwingscontrole zou vereisen, in een enkele, speciale instructie te condenser om de programmamengte te verkleinen om in de robot's minuscule geheugeruimte te passen."

Wat deze innovaties mogelijk maakten is de eerste sub-millimeter robot die eigenlijk kan denken. Naar de kennis van de onderzoekers heeft niemand eerder een echte computer – processor, geheugen, en sensoren – in een robot deze klein gezet. Die doorbraak maakt deze apparaten de eerste microscopische robots die kunnen waarnemen en handelen voor zichzelf.

De robots hebben elektronische sensoren die de temperatuur kunnen detecteren tot binnen een derde graad Celsius. Dit laat robots toe om te bewegen naar gebieden van stijgende temperatuur of de temperatuur te rapporteren – een proxy voor cellulaire activiteit – wat hen in staat stelt de gezondheid van individuele cellen te monitoren.

"Om hun temperatuurmetingen te rapporteren, ontwierpen we een speciale computerinstructie die een waarde codeert, zoals de gemeten temperatuur, in de wiebels van een klein dansje dat de robot uitvoert," zegt Blaauw. "We kijken dan naar deze dans door een microscop met een camera en decoderen uit de wiebels wat de robots ons vertellen. Het is erg vergelijkbaar met hoe honingbijen met elkaar communiceren."

De robots worden geprogrammeerd door lichtpulsen die ze ook voeden. Elke robot heeft een uniek adres dat het onderzoekers toestaat om verschillende programma's op elk van ze te laden. "Dit opent een heel reeks mogelijkheden," voegde Blaauw toe, "met elke robot potentiëel een andere rol speelend in een groter, gezamenlijk taak."

Toekomstige versies van de robots zouden complexere programma's kunnen opslaan, sneller bewegen, nieuwe sensoren integreren of in uitdagendere omgevingen opereren. In essentie is het huidige ontwerp een algemeen platform: zijn voortstuwingsysteem werkt naadloos met elektronica, zijn circuits kunnen goedkoop op schaal gefabriceerd worden, en zijn ontwerp staat toe om nieuwe capaciteiten toe te voegen.

"Dit is echt alleen het eerste hoofdstuk," zei Miskin. "We hebben getoond dat je een brein, een sensor, en een motor in iets bijna te klein om te zien kunt stoppen, en het laten overleven en maandenlang laten werken. Eenmaal je die basis hebt, kun je alle soorten intelligentie en functionaliteit erop laaggen. Het opent de deur naar een heel nieuwe toekomst voor robotica op microschaal."

Bron