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

Robótica y Automatización INSIDER

Un microrobot sobre un centavo estadounidense, mostrando una escala. (Imagen:Michael Simari, Universidad de Michigan)

Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan han creado los robots autónomos totalmente programables más pequeños del mundo:máquinas de natación microscópicas que pueden detectar y responder de forma independiente a su entorno, funcionar durante meses y costar sólo un centavo cada una. Apenas visible a simple vista, cada robot mide unos 200 por 300 por 50 micrómetros, más pequeño que un grano de sal. Operando a la escala de muchos microorganismos biológicos, los robots podrían hacer avanzar la medicina al monitorear la salud de las células individuales y la fabricación, ayudando a construir dispositivos a microescala.

Impulsados 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 ataduras, campos magnéticos ni control tipo joystick desde el exterior, lo que los convierte en los primeros robots programables y verdaderamente autónomos a esta escala.

Durante décadas, la electrónica se ha vuelto cada vez más pequeña, pero los robots han tenido dificultades para seguir el ritmo. "Construir robots que funcionen de forma independiente en tamaños inferiores a un milímetro es increíblemente difícil", afirmó Miskin. "El sector ha estado básicamente estancado en este problema durante 40 años".

Las fuerzas que dominan el mundo humano, como la gravedad y la inercia, dependen del volumen. Sin embargo, si se reduce al tamaño de una célula, las fuerzas ligadas al área de la superficie, como la resistencia y la viscosidad, toman el control. "Si eres lo suficientemente pequeño, empujar agua es como empujar a través de alquitrán", dijo Miskin. En otras palabras, a microescala, las estrategias que mueven robots más grandes, como extremidades, rara vez tienen éxito. "Las piernas y los brazos muy pequeños son fáciles de romper", dice Miskin. "También son muy difíciles de construir". Por lo tanto, el equipo tuvo que diseñar un sistema de propulsión completamente nuevo, uno que trabajara a favor (y no en contra) de la física única de la locomoción en el ámbito microscópico.

Las grandes criaturas acuáticas, 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. Más bien, generan un campo eléctrico que empuja los iones en la solución circundante. Esos iones, a su vez, empujan las 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 hace que el río se mueva".

Los robots pueden ajustar el campo eléctrico que causa el efecto, lo que les permite moverse en patrones complejos e incluso viajar en grupos coordinados, como un banco de peces, a velocidades de hasta una longitud corporal 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 durante meses.

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

El laboratorio de Blaauw tiene el récord del ordenador más pequeño 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 se dio cuenta de inmediato de que sus tecnologías eran una combinación perfecta. "Vimos que el sistema de propulsión de Penn Engineering y nuestras pequeñas computadoras electrónicas estaban hechos el uno para el otro", dijo Blaauw. Aún así, fueron necesarios cinco años de arduo trabajo por parte de ambas partes para entregar su primer robot funcional.

"El principal desafío para la electrónica", dijo Blaauw, "es que los paneles solares son pequeños y producen sólo 75 nanovatios de energía. Esto es más de 100.000 veces menos energía que la que consume un reloj inteligente". Para hacer funcionar la computadora del robot con tan poca energía, el equipo de Michigan desarrolló circuitos especiales que funcionan a voltajes extremadamente bajos y reducen el consumo de energía de la computadora más de 1000 veces.

Aún así, los paneles solares ocupan la mayor parte del espacio del robot. Por lo tanto, el segundo desafío fue llenar 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 el control de la propulsión en una sola instrucción especial para reducir la longitud del programa y adaptarlo al pequeño espacio de memoria del robot".

Lo que estas innovaciones hicieron posible es el primer robot submilimétrico que realmente puede pensar. Hasta donde saben los investigadores, nadie antes había puesto una verdadera computadora (procesador, memoria y sensores) en un robot tan pequeño. Ese avance convierte a estos dispositivos en los primeros robots microscópicos que pueden detectar y actuar por sí mismos.

Los robots tienen sensores electrónicos que pueden detectar la temperatura con una precisión de un tercio de grado Celsius. Esto permite a los robots moverse hacia áreas de temperatura creciente o informar la temperatura (un indicador de la actividad celular), lo que les permite monitorear la salud de las células individuales.

"Para informar sus mediciones de temperatura, diseñamos una instrucción informática especial que codifica un valor, como la temperatura medida, en los movimientos de un pequeño baile que realiza el robot", dice Blaauw. "Luego observamos esta danza a través de un microscopio con una cámara y decodificamos a partir de los movimientos lo que nos dicen los robots. Es muy similar a cómo se comunican las abejas entre sí".

Los robots están programados mediante 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 una serie de posibilidades", añadió Blaauw, "en las que cada robot desempeña potencialmente una función diferente en una tarea conjunta más amplia".

Las 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 perfectamente con la electrónica, sus circuitos se pueden fabricar a escala de forma económica y su diseño permite agregar nuevas capacidades.

"Este es realmente sólo el primer capítulo", dijo Miskin. "Hemos demostrado que se puede poner un cerebro, un sensor y un motor en algo casi demasiado pequeño para verlo, y hacer que sobreviva y funcione durante meses. Una vez que se tenga esa base, se pueden agregar todo tipo de inteligencia y funcionalidad. Se abre la puerta a un futuro completamente nuevo para la robótica a microescala".

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