Inteligentne mikroroboty z elektronicznymi „mózgami” chodzą samodzielnie

Naukowcy z Cornell University zainstalowali w robotach (zasilanych energią słoneczną) elektroniczne „mózgi”, które mają rozmiar od 100 do 250 mikrometrów – mniejszy niż głowa mrówki – dzięki czemu mogą chodzić samodzielnie bez zewnętrznej kontroli.

Naukowcy z Cornell i inni opracowali już wcześniej mikroskopijne maszyny potrafiące się czołgać, pływać, chodzić i składać, jednak były do nich dołączone „sznurki”. Do generowania ruchu używano bowiem przewodów, które dostarczały prąd, albo wykorzystywano wiązki laserowe, które skupiały się bezpośrednio w określonych miejscach robotów.

„Wcześniej musieliśmy dosłownie manipulować tymi „sznurkami”, aby uzyskać jakąkolwiek reakcję robota” – powiedział Itai Cohen, profesor fizyki. „Ale teraz, kiedy mamy na swoim pokładzie te mózgi, to jak zdejmowanie sznurków z marionetki. To tak, jakby Pinokio odzyskiwał przytomność”.

Ta innowacja przygotowuje grunt pod nową generację mikroskopijnych urządzeń, które mogą śledzić bakterie, wykrywać chemikalia, niszczyć zanieczyszczenia, przeprowadzać mikrochirurgię i usuwać płytkę nazębną z tętnic.

Projekt zgromadził naukowców z laboratoriów Cohena, m.in.: Alyosha Molnar’a, profesora nadzwyczajnego inżynierii elektrycznej i komputerowej; oraz Paula McEuen’a, profesora nauk fizycznych. Głównym autorem projektu jest badacz ze stopniem doktora, Michael Reynolds.

Artykuł zespołu pt. Microscopic Robots with Onboard Digital Control został opublikowany 21 września w “Science Robotics”.

„Mózgiem” nowych robotów jest komplementarny obwód zegara z tlenku metalu i półprzewodnika (CMOS), który zawiera tysiąc tranzystorów oraz szereg diod, rezystorów i kondensatorów. Zintegrowany obwód CMOS generuje sygnał, który wytwarza serię częstotliwości fal z przesunięciem fazowym, które z kolei ustawiają chód robota. Z kolei nogi robota to siłowniki na bazie platyny. Zarówno obwód, jak i nogi zasilane są przez fotowoltaikę.

„Ostatecznie umiejętność przekazywania poleceń pozwoli nam wydawać robotowi instrukcje, a wewnętrzny mózg wymyśli, jak je wykonać” – powiedział Cohen. „Następnie możemy porozmawiać z robotem. Robot może powiedzieć nam coś o swoim otoczeniu, a wtedy możemy zareagować, mówiąc mu: „OK, idź tam i spróbuj dowiedzieć się, co się dzieje”.

Nowe roboty są około 10 000 razy mniejsze niż roboty w skali makro, które mają wbudowaną elektronikę CMOS, i mogą chodzić z prędkością większą niż 10 mikrometrów na sekundę.

Proces produkcyjny zaprojektowany przez Reynolds’a, który zasadniczo dostosowuje elektronikę zbudowaną w odlewni, zaowocował platformą, która może umożliwić innym naukowcom wyposażenie mikroskopijnych robotów we własne aplikacje – od detektorów chemicznych po fotowoltaiczne “oczy“, które pomagają robotom nawigować, wykrywając zmiany w światło.

“Pozwala to wyobrazić sobie naprawdę złożone, wysoce funkcjonalne mikroskopijne roboty o wysokim stopniu programowalności, zintegrowane nie tylko z siłownikami, ale także z czujnikami“, powiedział Reynolds. „Jesteśmy podekscytowani zastosowaniami tego rozwiązania w medycynie – coś, co mogłoby poruszać się w tkankach, identyfikować dobre komórki i zabijać złe – oraz w rekultywacji środowiska, na przykład gdybyśmy mieli robota, który wiedziałby, jak rozłożyć zanieczyszczenia lub wyczuć niebezpieczną substancję chemiczną i pozbyć się jej.”.

Bibliografia: 

1. Michael F. Reynolds, Alejandro J. Cortese, Qingkun Liu, Zhangqi Zheng, Wei Wang, Samantha L. Norris, Sunwoo Lee, Marc Z. Miskin, Alyosha C. Molnar, Itai Cohen, Paul L. McEuen. Microscopic robots with onboard digital control. Science Robotics, 2022; 7 (70) DOI: 10.1126/scirobotics.abq2296 

Źródło: Cornell University. “Smart microrobots walk autonomously with electronic ‘brains’.” ScienceDaily, 21 September 2022. <www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220921210054.htm>.