Los microrobots autónomos más pequeños del mundo: nadadores de 200µm que operan por meses

Robotics & Automation INSIDER

Un microrobot en un centavo de EE. UU., mostrando la escala. (Imagen: Michael Simari, Universidad de Michigan)

Investigadores de la Universidad de Pensilvania y Universidad de Michigan han creado los robots totalmente programables y autónomos más pequeños del mundo: máquinas microscópicas nadadoras que pueden detectar y responder independientemente a su entorno, operar por meses y cuestan solo un centavo cada uno. Apenas visibles a simple vista, cada robot mide aproximadamente 200 por 300 por 50 micrómetros, más pequeño que un grano de sal. Operando a la escala de muchos microorganismos biológicos, los robots podrían avanzar la medicina monitoreando la salud de células individuales y la manufactura, ayudando a construir dispositivos a microescala.

Alimentados por luz, los robots llevan computadoras microscópicas y pueden programarse para moverse en patrones complejos, detectar temperaturas locales y ajustar sus trayectorias en consecuencia.

Descrito en Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), los robots operan sin cables, campos magnéticos o control tipo joystick desde el exterior, convirtiéndolos en los primeros robots verdaderamente autónomos y programables a esta escala.

Durante décadas, la electrónica se ha vuelto más y más pequeña, pero los robots han luchado por mantener el ritmo. "Construir robots que operen independientemente a tamaños por debajo de un milímetro es increíblemente difícil", dijo Miskin. "El campo ha estado esencialmente atascado en este problema por 40 años."

Las fuerzas que dominan el mundo humano, como la gravedad e inercia, dependen del volumen. Reducirse al tamaño de una célula, sin embargo, y las fuerzas ligadas al área superficial, como arrastre y viscosidad, toman el control. "Si eres lo suficientemente pequeño, empujar agua es como empujar alquitrán", dijo Miskin. En otras palabras, a microescala, las estrategias que mueven robots más grandes, como extremidades, rara vez tienen éxito. "Patas y brazos muy diminutos son fáciles de romper", dice Miskin. "También son muy difíciles de construir." Así que el equipo tuvo que diseñar un sistema de propulsión completamente nuevo, uno que trabajara con — en lugar de contra — la física única de la locomoción en el reino microscópico.

Las criaturas acuáticas grandes, como los peces, se mueven empujando el agua detrás de ellos. Gracias a la Tercera Ley de Newton, el agua ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el pez, impulsándolo hacia adelante. Los nuevos robots, por el contrario, no flexionan sus cuerpos en absoluto. En su lugar, generan un campo eléctrico que empuja iones en la solución circundante. Esos iones, a su vez, empujan moléculas de agua cercanas, animando el agua alrededor del cuerpo del robot. "Es como si el robot estuviera en un río en movimiento", dice Miskin, "pero el robot también está causando que el río se mueva."

Los robots pueden ajustar el campo eléctrico que causa el efecto, permitiéndoles moverse en patrones complejos e incluso viajar en grupos coordinados, muy parecido a un cardumen de peces, a velocidades de hasta una longitud de cuerpo por segundo.

Y como los electrodos que generan el campo no tienen partes móviles, los robots son extremadamente duraderos. "Puedes transferir repetidamente estos robots de una muestra a otra usando una micropipeta sin dañarlos", dice Miskin. Cargados por el brillo de un LED, los robots pueden seguir nadando por meses.

Para ser verdaderamente autónomo, un robot necesita una computadora para tomar decisiones, electrónica para detectar su entorno y controlar su propulsión, y diminutos paneles solares para alimentar todo, y todo eso necesita caber en un chip que es una fracción de milímetro en tamaño. Aquí es donde el equipo de David Blaauw en la Universidad de Michigan entró en acción.

El laboratorio de Blaauw tiene el récord de la computadora más pequeña del mundo. Cuando Miskin y Blaauw se conocieron por primera vez en una presentación organizada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) hace cinco años, la pareja inmediatamente se dio cuenta de que sus tecnologías eran una combinación perfecta. "Vimos que el sistema de propulsión de Penn Engineering y nuestras diminutas computadoras electrónicas estaban hechas la una para la otra", dijo Blaauw. Aún así, tomó cinco años de arduo trabajo en ambos lados entregar su primer robot funcional.

"El desafío clave para la electrónica", dijo Blaauw, "es que los paneles solares son diminutos y producen solo 75 nanovatios de potencia. Eso es más de 100,000 veces menos potencia que lo que consume un smartwatch." Para ejecutar la computadora del robot con tan poca potencia, el equipo de Michigan desarrolló circuitos especiales que operan a voltajes extremadamente bajos y reducen el consumo de energía de la computadora en más de 1000 veces.

Aún así, los paneles solares ocupan la mayor parte del espacio en el robot. Por lo tanto, el segundo desafío fue meter el procesador y la memoria para almacenar un programa en el poco espacio que quedaba. "Tuvimos que repensar totalmente las instrucciones del programa de computadora", dijo Blaauw, "condensando lo que convencionalmente requeriría muchas instrucciones para control de propulsión en una sola instrucción especial para reducir la longitud del programa para que quepa en el diminuto espacio de memoria del robot."

Lo que estas innovaciones hicieron posible es el primer robot sub-milimétrico que puede realmente pensar. Para el conocimiento de los investigadores, nadie ha puesto previamente una computadora real — procesador, memoria y sensores — en un robot tan pequeño. Ese avance hace que estos dispositivos sean los primeros robots microscópicos que pueden detectar y actuar por sí mismos.

Los robots tienen sensores electrónicos que pueden detectar la temperatura dentro de un tercio de grado Celsius. Esto permite a los robots moverse hacia áreas de temperatura creciente o reportar la temperatura — un proxy para la actividad celular — permitiéndoles monitorear la salud de células individuales.

"Para reportar sus mediciones de temperatura, diseñamos una instrucción de computadora especial que codifica un valor, como la temperatura medida, en los meneos de un pequeño baile que el robot realiza", dice Blaauw. "Luego observamos este baile a través de un microscopio con una cámara y decodificamos de los meneos lo que los robots nos están diciendo. Es muy similar a cómo las abejas se comunican entre sí."

Los robots se programan por pulsos de luz que también los alimentan. Cada robot tiene una dirección única que permite a los investigadores cargar diferentes programas en cada uno de ellos. "Esto abre un sinfín de posibilidades", agregó Blaauw, "con cada robot potencialmente desempeñando un papel diferente en una tarea conjunta más grande."

Versiones futuras de los robots podrían almacenar programas más complejos, moverse más rápido, integrar nuevos sensores u operar en entornos más desafiantes. En esencia, el diseño actual es una plataforma general: su sistema de propulsión funciona sin problemas con la electrónica, sus circuitos pueden fabricarse baratamente a escala y su diseño permite añadir nuevas capacidades.

"Esto es realmente solo el primer capítulo", dijo Miskin. "Hemos demostrado que puedes poner un cerebro, un sensor y un motor en algo casi demasiado pequeño para ver, y que sobreviva y funcione por meses. Una vez que tienes esa base, puedes añadir capas de todo tipo de inteligencia y funcionalidad. Abre la puerta a un futuro completamente nuevo para la robótica a microescala."

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