Wetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania (Penn) en de Universiteit van Michigan hebben ’s werelds kleinste autonome en programmeerbare robots gemaakt. Deze machines zijn elk zo’n 200 micrometer breed – grofweg twee keer zo breed als een mensenhaar – en kunnen hun omgeving waarnemen, ‘denken’ en onafhankelijk handelen zonder instructies van buitenaf. Volgens hun ontwikkelaars zou dergelijke technologie op een dag de gezondheid van individuele cellen in ons lichaam kunnen monitoren of medicijnen op specifieke locaties kunnen afleveren om ziekten te behandelen.
De belangrijkste doorbraak van de onderzoekers was dat een robot van slechts een vijfde van een millimeter lang autonoom kon bewegen zonder hulp van buitenaf, een uitdaging die wetenschappers al tientallen jaren proberen op te lossen. Fysieke krachten zoals weerstand en viscositeit hebben een veel sterker effect op objecten op microscopische schaal, waardoor beweging door een vloeistof vergelijkbaar is met zwemmen door teer op menselijke schaal.
Kyle Skelil, Universiteit van Pennsylvania
Om deze uitdaging het hoofd te bieden, ontwierp het Penn-team een nieuw voortstuwingssysteem. De microrobots worden aangedreven door LED-licht en werken in een waterstofperoxide-oplossing, die de brandstof levert voor hun beweging. De robot genereert een elektrisch veld dat de ionen in de omringende oplossing voortstuwt, die op hun beurt watermoleculen meeslepen. De microrobots kunnen dit elektrische veld aanpassen om in complexe patronen te bewegen en zelfs in gecoördineerde groepen te reizen met snelheden tot één lichaamslengte per seconde.
De kleinste autonome robot ter wereld vereist de kleinste computer ter wereld. Die titel hoort bij een computer die is ontwikkeld door het team van David Blaauw in Michigan. De onderzoekers pasten hun microcomputer aan op Penns voortstuwingssysteem en bouwden een complete computer met een processor, geheugen en sensoren op een chip van minder dan een millimeter breed.
De robot ontvangt licht via microscopisch kleine zonnepanelen die slechts 75 nanowatt aan stroom genereren – ruim 100.000 keer minder dan een smartwatch, aldus Blaauw. Zijn team moest de microcomputercircuits op extreem lage spanningen laten werken, waardoor het stroomverbruik met meer dan een factor 1.000 werd verminderd.
Maya Lassiter, Universiteit van Pennsylvania
Misschien wel het meest opvallende kenmerk zijn de totale systeemkosten. Hoewel elke robot ongeveer één cent kost om op grote schaal te produceren, zou je kunnen aannemen dat de apparatuur die nodig is om ze te programmeren en te besturen onbetaalbaar zou zijn. Dat is niet het geval.
“Het kost ongeveer $100,” vertelde Marc Miskin, professor bij Penn Engineering en hoofdauteur van het onderzoek, mij per e-mail. Het team heeft al een goedkope versie van hun opstelling gebouwd met behulp van standaard LED-diodes, een Raspberry Pi-microcomputer en een beeldsysteem bestaande uit een smartphonecamera uitgerust met een macrolens. “Dit systeem presteert eigenlijk net zo goed als onze fraaie microscoop van $ 100.000. Omdat de robot al het harde werk doet, hoef je hem niet te vertellen wat hij moet doen”, legt Miskin uit.
De microrobots zijn voorzien van elektronische sensoren die de temperatuur kunnen detecteren met een nauwkeurigheid van een derde graad Celsius, waardoor ze de gezondheid van individuele cellen kunnen monitoren. Er zijn echter nog verschillende obstakels voordat deze technologie kan worden toegepast op de menselijke gezondheid.
Net als de cellen in ons lichaam, die een constante energietoevoer nodig hebben om te overleven, kunnen de microrobots niet functioneren zonder continu licht. “Als je het licht uitdoet, gaat de robot uit en wordt het geheugen gewist”, zegt Miskin. “Doe het licht weer aan en hij start opnieuw op, maar onthoudt niet waarvoor je hem hebt geprogrammeerd. Dit is een veel voorkomend kenmerk van sub-mm-systemen, omdat de totale energie die je kunt opslaan (bijvoorbeeld een batterij) meegroeit met het volume. Het is extreem moeilijk om een bruikbare hoeveelheid in een kleine ruimte op te slaan.”
Kyle Skelil, Universiteit van Pennsylvania
Maar er is nog een uitdaging: in hun huidige versie werken de robots in een waterstofperoxide-oplossing van 5 millimolair, die giftig is voor levende cellen. Dit maakt ze in hun huidige vorm ongeschikt voor medische toepassingen. De onderzoekers erkennen deze beperking, maar deze is niet onoverkomelijk. Omdat de robot elektronisch is geïntegreerd, kunnen actuatoren vrij worden verwisseld, u hoeft alleen de bedrijfsspanning en de benodigde stroom op elkaar af te stemmen. “We werken actief aan het bouwen van de bijbehorende robots, waarbij we deze bio-compatibele actuatoren met circuits integreren, en hopelijk zul je er binnenkort een aantal zien”, legt Miskin uit.
Miskin is zelfs nog enthousiaster over iets anders: het gebruik van deze robots om componenten op microschaal te assembleren. “Bijna alles wat we tegenwoordig op microschaal bouwen, wordt in één keer, monolithisch, gemaakt”, zei hij. “Als we bijvoorbeeld circuits bouwen, maken we ze van deze complexe patronen op grote wafers. Als je een deel van dat circuit wilt veranderen, moet je het hele ding opnieuw opbouwen.”
De onderzoekers beweren dat dit de kosten zou kunnen verlagen, ontwerpherhalingen zou kunnen versnellen en zelfs intellectueel eigendom zou kunnen vereenvoudigen. “De microschaal is een geweldige plek”, merkte Miskin op. “Het hebben van kleine agenten die mensen kunnen programmeren en controleren, zou allerlei opmerkelijke deuren kunnen openen. Ik ben voorzichtig optimistisch dat de beste toepassingen nog moeten worden bedacht.”
Bron: Penn Engineering
