Un equipo de científicos de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan ha desarrollado el robot autónomo programable más pequeño del mundo. El robot mide apenas 200 µm x 300 µm x 50 µm, pero es capaz de percibir su entorno y reaccionar de forma independiente. El dispositivo se alimenta de diminutas células solares y está equipado con un sistema de propulsión iónica para desplazarse en fluidos.
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Los investigadores de ambas universidades han integrado una gran cantidad de tecnología en este diminuto robot, tal como detallan en el estudio “Microscopic robots that sense, think, act, and compute”, publicado en Science Robotics. El corazón del robot es una computadora desarrollada por David Blaauw, profesor de la Universidad de Michigan, quien ostenta el récord del ordenador más pequeño del mundo. Marc Miskin, profesor asistente de la Universidad de Pensilvania y líder del proyecto del microrrobot, y Blaauw se conocieron hace cinco años en un evento de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y se dieron cuenta de que el diminuto ordenador de Blaauw era ideal para un microrrobot.
Microordenador para un microrrobot
Sin embargo, integrar el microordenador y el robot para que funcionaran sin problemas no fue tarea fácil. En particular, la alimentación resultó ser un desafío, ya que debía diseñarse para que el robot fuera autónomo. Los científicos utilizaron células solares que generan solo 75 nanovatios de potencia. Esto es más de 100.000 veces menos de lo que necesita un smartwatch, explica Blaauw. Esto obligó a revisar los circuitos del microordenador existente para que pudiera funcionar con tensiones extremadamente bajas. El equipo logró reducir el consumo de energía del ordenador en un factor de 1000.
Las células solares ocupan la mayor parte del robot. En consecuencia, quedó poco espacio para el procesador y la memoria, por lo que no se pudieron ampliar arbitrariamente. Los investigadores recurrieron a la compresión de la programación del ordenador para que el programa cupiera en la memoria limitada disponible. “Tuvimos que repensar completamente las instrucciones del programa del ordenador y condensar lo que normalmente requeriría muchas instrucciones para el control de la propulsión en una única instrucción especial para acortar la longitud del programa para que cupiera en el minúsculo espacio de memoria del robot”, afirma Blaauw.
La programación y la transferencia del programa al ordenador se realizan mediante impulsos de luz. Cada robot tiene una dirección individual a través de la cual se realiza la programación y la transferencia. Los robots pueden programarse para diferentes tareas para trabajar juntos en un enjambre y lograr un resultado común.
Parte de la electrónica del robot también incluye sensores de temperatura que pueden medir la temperatura ambiente con una precisión de hasta un tercio de grado. El robot puede detectar y reportar temperaturas y moverse hacia temperaturas más altas o alejarse de ellas. Esto permite, por ejemplo, medir la temperatura de una célula. La temperatura se considera un indicador de la salud celular y permite monitorizar el estado de salud de células individuales.
El robot “baila” la temperatura medida. A través de una instrucción, se desencadenan movimientos en el robot en los que se codifica la temperatura. Los investigadores luego la descifran a través de un microscopio. Este tipo de comunicación es similar a la de las abejas melíferas, que transmiten información a sus congéneres a través de movimientos de danza.
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Propulsión iónica sin componentes mecánicos
Para poder mover el robot en un fluido, los investigadores tuvieron que desarrollar un concepto de propulsión especial, ya que, debido a su tamaño diminuto, el robot está expuesto a fuerzas que dependen del volumen, como la gravedad y la inercia. En robots comprimidos a escala de micrómetros, las fuerzas relacionadas con la superficie, como la resistencia y la viscosidad, toman el control. En consecuencia, “avanzar en el agua es como avanzar en alquitrán”, explica Miskin. Por esta razón, los científicos descartaron los sistemas de propulsión mecánicos, difíciles de reducir a tamaño de micrómetro, ya que también podrían romperse fácilmente.
Ein elektrisches Feld stößt Ionen aus, die auf Wassermoleküle wirken. Das Foto zeigt den entstehenden Fluss.
(Bild: Lucas Hanson und William Reinhardt/University of Pennsylvania (CC BY-SA))
Los investigadores optaron entonces por una propulsión iónica que no requiere absolutamente ningún componente mecánico. En cambio, se genera un campo eléctrico que emite iones al fluido que rodea al robot, ejerciendo presión sobre las moléculas de fluido cercanas y poniendo en movimiento el fluido alrededor del robot. “Es como si el robot estuviera en una corriente fluida”, dice Miskin, “pero el robot también hace que la corriente se mueva”.
El efecto se puede ajustar cambiando el campo eléctrico. El robot puede moverse en patrones complejos a una velocidad de hasta una longitud corporal por segundo. El sistema de propulsión también es muy robusto, ya que no tiene mecánica. Los microrrobots equipados con este sistema pueden ser capturados con una micropipeta y colocados de una muestra biológica a otra sin dañar el robot.
El robot puede moverse en un fluido durante varios meses, siempre y cuando capte luz a través de las células solares. La iluminación LED proporciona la energía necesaria. El robot no se controla externamente mediante campos magnéticos, luz o radio. El diminuto ordenador, el sistema de propulsión iónica y las células solares le permiten ser completamente autónomo. Los investigadores trabajaron durante un total de cinco años en el desarrollo del microrrobot autónomo.
Costo de un centavo de dólar
“Esto es realmente solo el primer capítulo”, dice Miskin. “Hemos demostrado que se puede integrar un cerebro, un sensor y un motor en algo casi demasiado pequeño para verlo, y que puede sobrevivir y funcionar durante meses. Una vez que tienes esta base, puedes agregar todo tipo de inteligencia y funcionalidad. Esto abre la puerta a un futuro completamente nuevo para la robótica a microescala”.
Los futuros microrrobots podrían ser aún más potentes, implementar programas más complejos, incluir nuevos sensores y moverse más rápido para navegar en entornos más complejos, según los científicos. La plataforma actual demuestra que esto también es posible a bajo costo: el robot actual se puede fabricar por un solo centavo de dólar.
(olb)
