Por primera vez, microrobots autónomos operan de forma independiente en el rango submilimétrico. Esto es posible gracias a nuevos enfoques en movimiento, energía y control.
Durante casi cuatro décadas, la robótica ha chocado con el mismo límite. Las máquinas se pueden reducir cada vez más, pero pierden su autonomía por debajo de un milímetro. Hasta ahora, las mediciones, el control y la toma de decisiones requerían tecnología externa, desde la configuración de laboratorio hasta la computadora de control. Esto ha sido un obstáculo central, especialmente para aplicaciones médicas o biológicas.
Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan han superado este límite. Desarrollaron microrobots autónomos, más pequeños que un grano de sal, que pueden detectar su entorno, tomar decisiones simples y adaptar su comportamiento. El avance crucial no radica en una mayor potencia de cálculo, sino en una nueva comprensión del movimiento, la energía y el control a microescala, según su estudio.
En esta escala, se aplican reglas diferentes a las del día a día. La inercia pierde importancia, la fricción y la viscosidad dominan la situación. El agua se comporta más como el jarabe. Las piernas o pinzas móviles alcanzan rápidamente sus límites. Es precisamente en este punto donde entra en juego la nueva tecnología.
Por qué los microrobots autónomos han fracasado durante tanto tiempo
Durante casi 40 años, la robótica se ha estancado en este obstáculo. Los sensores y los circuitos se han reducido constantemente. Sin embargo, los robots autónomos con lógica de cálculo, memoria y su propia propulsión han seguido siendo más grandes que un milímetro. Los microrobots anteriores necesitaban campos magnéticos, ultrasonidos o configuraciones de laboratorio complejas. Las decisiones se tomaban fuera del robot.
Los nuevos modelos adoptan conscientemente un enfoque diferente. Renuncian a las partes móviles. En cambio, generan campos eléctricos que mueven partículas cargadas en el agua. Las corrientes resultantes impulsan el robot. El principio es robusto y se adapta al mundo a escala celular.
Movimiento sin piernas, pero aún controlado
El movimiento no se asemeja a ninguna máquina conocida. Los electrodos en el cuerpo aplican un campo. Los iones atraen agua consigo. El robot nada con ella. Al cambiar selectivamente los campos, se crean rotaciones, arcos o movimientos rectilíneos. La velocidad es de unos pocos micrómetros por segundo, pero es suficiente para realizar maniobras precisas.
Colaboración de contenidos
Este artículo fue creado en colaboración con smartup-news.de
Una ventaja radica en la construcción. Los electrodos no tienen partes móviles. Esto aumenta significativamente la durabilidad. Los robots pueden soportar meses de funcionamiento en líquidos. Se pueden transferir con una pipeta sin sufrir daños. Esto es crucial para los experimentos de laboratorio.
Una computadora en menos de un milímetro
Por primera vez, una computadora completa funciona dentro de un robot tan pequeño. El procesador, la memoria, los sensores y la fuente de alimentación están ubicados en un solo chip. La energía la proporcionan diminutas células solares. Un simple LED es suficiente para operar y programar el robot.
El consumo de energía es de alrededor de 100 nanovatios. En comparación, un smartwatch necesita más de cien mil veces más energía. Esto es posible gracias a circuitos muy simples y tensiones de funcionamiento extremadamente bajas.
Medir, decidir, reaccionar: todo sin radio
Los robots tienen sensores de temperatura con una resolución de aproximadamente 0,3 grados Celsius. Esto es suficiente para detectar cambios a nivel celular. Los valores medidos se pueden almacenar, comparar y utilizar para cambios de comportamiento.
Los robots no envían sus resultados por radio. En cambio, transmiten información a través del movimiento. Ciertos patrones codifican números. Una cámara lee estos movimientos. Los investigadores comparan el principio con la danza del meneo de las abejas.
Programación por luz, tareas en equipo
Cada robot recibe sus instrucciones a través de señales de luz. Los impulsos cortos escriben programas directamente en la memoria. Cada chip tiene su propia dirección. Esto permite controlar grupos específicos. Un robot mide, otro se mueve, un tercero informa de los datos.
“Hemos reducido los robots autónomos 10.000 veces”, dice el jefe de proyecto Marc Miskin. “Esto abre una dimensión completamente nueva para las máquinas programables”. El trabajo se realizó en colaboración con el equipo de David Blaauw, conocido por sus minicomputadoras de bajo consumo.
Un punto importante es la fabricación. Los robots se crean utilizando procesos estándar de la industria de los semiconductores. Docenas de ejemplares están ubicados en un chip. A medida que aumentan las cantidades, los costos disminuyen significativamente. A la larga, el costo será de unos pocos céntimos por robot.
Dónde podrían ayudar los microrobots autónomos en el futuro
Los microrobots autónomos están diseñados para entornos que son casi inaccesibles para la tecnología clásica. Debido a su tamaño, se mueven a través de canales estrechos, microrreactores o cultivos celulares. Allí, pueden detectar gradientes de temperatura sin tocar el tejido y registrar cambios in situ.
También surgen nuevas opciones para terapias dirigidas. Los ingredientes activos podrían liberarse localmente, activados por valores medidos en las inmediaciones. En la microfabricación, enjambres de diminutas máquinas podrían inspeccionar componentes o supervisar procesos. Dado que los robots siguen siendo programables, sus tareas se pueden adaptar incluso después de la fabricación.
Una base para la siguiente etapa de desarrollo
Los programas aún son simples. La memoria solo tiene unos pocos cientos de bits. Sin embargo, la arquitectura permite el crecimiento. Los procesos de fabricación más nuevos podrían ampliar significativamente la memoria. También son posibles velocidades más altas, por ejemplo, a través de circuitos optimizados.
“Esto es solo el comienzo”, dice Miskin. “Hemos demostrado que se puede meter un cerebro, un sensor y una propulsión en algo que es casi invisible y funciona durante meses”.
En resumen:
- Los microrobots autónomos han fracasado durante décadas debido a la física a microescala, no por la falta de electrónica: por debajo de un milímetro, la fricción y la viscosidad dominan, los accionamientos clásicos fallan allí.
- El avance se logró mediante un cambio de estrategia: en lugar de piezas móviles, los robots utilizan corrientes generadas eléctricamente, llevan computadoras, sensores y memoria a bordo y funcionan con muy poca energía.
- Por primera vez, los robots de este tamaño funcionan de forma independiente durante meses, miden su entorno, toman decisiones simples y transmiten datos: una base para aplicaciones en medicina, biología y microfabricación.
