's Werelds kleinste autonome microrobots:zwemmers van 200 µm die maandenlang kunnen opereren

Robotica &Automatisering INSIDER

Een microrobot op een Amerikaanse cent, die de schaal laat zien. (Afbeelding:Michael Simari, Universiteit van Michigan)

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en de Universiteit van Michigan hebben 's werelds kleinste, volledig programmeerbare, autonome robots gemaakt:microscopisch kleine zwemmachines die onafhankelijk hun omgeving kunnen waarnemen en erop kunnen reageren, maanden kunnen werken en slechts een cent per stuk kosten. Nauwelijks zichtbaar voor het blote oog, meet elke robot ongeveer 200 bij 300 bij 50 micrometer, kleiner dan een zoutkorrel. De robots opereren op de schaal van veel biologische micro-organismen en kunnen de geneeskunde vooruit helpen door de gezondheid van individuele cellen en productie te monitoren, door apparaten op microschaal te helpen bouwen.

De robots worden aangedreven door licht en hebben microscopisch kleine computers bij zich. Ze kunnen worden geprogrammeerd om in complexe patronen te bewegen, lokale temperaturen te detecteren en hun paden dienovereenkomstig aan te passen.

Beschreven in Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) werken de robots zonder kabels, magnetische velden of joystickachtige bediening van buitenaf, waardoor ze de eerste echt autonome, programmeerbare robots op deze schaal zijn.

Decennia lang is elektronica steeds kleiner geworden, maar robots hebben moeite om gelijke tred te houden. “Het bouwen van robots die zelfstandig opereren bij afmetingen van minder dan een millimeter is ongelooflijk moeilijk”, zegt Miskin. “Het veld zit feitelijk al veertig jaar vast aan dit probleem.”

De krachten die de menselijke wereld domineren, zoals zwaartekracht en traagheid, zijn afhankelijk van het volume. Als je echter krimpt tot de grootte van een cel, nemen krachten die aan het oppervlak gebonden zijn, zoals weerstand en viscositeit, het over. “Als je klein genoeg bent, is het duwen op water hetzelfde als het duwen door teer”, zegt Miskin. Met andere woorden:op microschaal slagen strategieën die grotere robots, zoals ledematen, bewegen zelden. “Heel kleine beentjes en armen zijn gemakkelijk te breken”, zegt Miskin. "Ze zijn ook erg moeilijk om te bouwen." Het team moest dus een geheel nieuw voortstuwingssysteem ontwerpen, een systeem dat werkte met – in plaats van tegen – de unieke fysica van voortbeweging op microscopisch gebied.

Grote waterdieren, zoals vissen, bewegen zich voort door het water achter zich aan te duwen. Dankzij de derde wet van Newton oefent het water een gelijke en tegengestelde kracht uit op de vis, waardoor deze vooruit wordt gestuwd. De nieuwe robots buigen hun lichaam daarentegen helemaal niet. In plaats daarvan genereren ze een elektrisch veld dat ionen in de omringende oplossing duwt. Die ionen duwen op hun beurt op nabijgelegen watermoleculen en animeren het water rond het lichaam van de robot. “Het is alsof de robot zich in een bewegende rivier bevindt”, zegt Miskin, “maar de robot zorgt er ook voor dat de rivier beweegt.”

De robots kunnen het elektrische veld dat het effect veroorzaakt aanpassen, waardoor ze in complexe patronen kunnen bewegen en zelfs in gecoördineerde groepen kunnen reizen, net als een school vissen, met snelheden tot één lichaamslengte per seconde.

En omdat de elektroden die het veld opwekken geen bewegende delen hebben, zijn de robots extreem duurzaam. “Je kunt deze robots herhaaldelijk van het ene monster naar het andere overbrengen met behulp van een micropipet, zonder ze te beschadigen”, zegt Miskin. Opgeladen door de gloed van een LED kunnen de robots maandenlang blijven zwemmen.

Om echt autonoom te zijn, heeft een robot een computer nodig om beslissingen te nemen, elektronica om zijn omgeving waar te nemen en zijn voortstuwing te controleren, en kleine zonnepanelen om alles van stroom te voorzien, en dat alles moet op een chip passen die een fractie van een millimeter groot is. Dit is waar het team van David Blaauw aan de Universiteit van Michigan in actie kwam.

Het laboratorium van Blaauw is recordhouder van de kleinste computer ter wereld. Toen Miskin en Blaauw elkaar vijf jaar geleden voor het eerst ontmoetten tijdens een presentatie van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), beseften ze meteen dat hun technologieën perfect bij elkaar pasten. “We zagen dat het voortstuwingssysteem van Penn Engineering en onze kleine elektronische computers gewoon voor elkaar waren gemaakt”, aldus Blaauw. Toch kostte het aan beide kanten vijf jaar hard werken om hun eerste werkende robot af te leveren.

"De belangrijkste uitdaging voor de elektronica", zegt Blaauw, "is dat de zonnepanelen klein zijn en slechts 75 nanowatt aan stroom produceren. Dat is ruim 100.000 keer minder stroom dan wat een slim horloge verbruikt." Om de computer van de robot op zo weinig stroom te laten werken, heeft het team uit Michigan speciale circuits ontwikkeld die op extreem lage spanningen werken en het stroomverbruik van de computer met meer dan 1000 keer verlagen.

Toch nemen de zonnepanelen het grootste deel van de ruimte op de robot in beslag. Daarom was de tweede uitdaging om de processor en het geheugen zo vol te proppen dat een programma kon worden opgeslagen in de weinige ruimte die nog overbleef. “We moesten de instructies van het computerprogramma volledig heroverwegen,” zei Blaauw, “door wat conventioneel veel instructies voor de voortstuwingscontrole nodig zouden hebben, samen te vatten in één enkele speciale instructie om de lengte van het programma te verkleinen zodat het in de kleine geheugenruimte van de robot zou passen.”

Wat deze innovaties mogelijk hebben gemaakt, is de eerste submillimeterrobot die daadwerkelijk kan denken. Voor zover de onderzoekers weten heeft niemand eerder een echte computer – processor, geheugen en sensoren – in een robot van deze grootte gestopt. Deze doorbraak maakt deze apparaten tot de eerste microscopische robots die zelf kunnen waarnemen en handelen.

De robots hebben elektronische sensoren die de temperatuur tot op een derde graad Celsius kunnen detecteren. Hierdoor kunnen robots zich verplaatsen naar gebieden met een stijgende temperatuur of de temperatuur rapporteren (een proxy voor cellulaire activiteit), waardoor ze de gezondheid van individuele cellen kunnen controleren.

“Om hun temperatuurmetingen te rapporteren, hebben we een speciale computerinstructie ontworpen die een waarde, zoals de gemeten temperatuur, codeert in de bewegingen van een dansje dat de robot uitvoert”, zegt Blaauw. "Vervolgens bekijken we deze dans door een microscoop met een camera en decoderen we uit het wiebelen wat de robots tegen ons zeggen. Het lijkt erg op de manier waarop honingbijen met elkaar communiceren."

De robots worden geprogrammeerd door lichtpulsen die ze ook van stroom voorzien. Elke robot heeft een uniek adres waarmee de onderzoekers op elk van hen verschillende programma's kunnen laden. “Dit opent een groot aantal mogelijkheden”, aldus Blaauw, “waarbij elke robot mogelijk een andere rol vervult in een grotere, gezamenlijke taak.”

Toekomstige versies van de robots kunnen complexere programma's opslaan, sneller bewegen, nieuwe sensoren integreren of in meer uitdagende omgevingen opereren. In wezen is het huidige ontwerp een algemeen platform:het aandrijfsysteem werkt naadloos samen met de elektronica, de circuits kunnen goedkoop op schaal worden gefabriceerd en het ontwerp maakt het mogelijk nieuwe mogelijkheden toe te voegen.

“Dit is eigenlijk nog maar het eerste hoofdstuk”, zei Miskin. "We hebben laten zien dat je een brein, een sensor en een motor in iets kunt stoppen dat bijna te klein is om te zien, en dat je het maandenlang kunt laten overleven en werken. Als je die basis eenmaal hebt, kun je er allerlei soorten intelligentie en functionaliteit op aanbrengen. Het opent de deur naar een geheel nieuwe toekomst voor robotica op microschaal."

Bron