Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en de Universiteit van Michigan hebben onlangs samengewerkt om de kleinste, volledig programmeerbare autonome robots ooit te ontwikkelen. Deze kleine machines zijn slechts een tiende van de breedte van een millimeter en kunnen maandenlang denken, zwemmen en overleven.

De robots zijn ongeveer 200 micron bij 300 micron bij 50 micron groot, kleiner dan een zoutkorrel, en kosten slechts ongeveer een cent om te vervaardigen. Ondanks hun kleine formaat kunnen ze hun omgeving bewegen, waarnemen, berekenen en erop reageren zonder dat er externe verbindingen, magnetische velden of controllers nodig zijn. Mark Miskin, assistent-professor elektrische en systeemtechniek aan de Universiteit van Pennsylvania, zei dat dergelijke robots 10.000 keer kleiner zijn dan bestaande microrobots, wat een nieuwe schaal opent voor programmeerbare robots.

Het onderzoeksteam publiceerde hun resultaten in Science Robotics and Proceedings van de National Academy of Sciences, waarbij ze de toepassing ervan voorzagen in het volgen van de gezondheid van één cel of in de assemblage van microscopische machines. Omdat robots ongeveer even groot zijn als micro-organismen, zouden ze op een dag door organisatorische omgevingen of microscopische productielijnen kunnen pendelen die moeilijk te bereiken zijn met traditionele robots.

Op sub-millimeterschaal maken zwaartekracht en traagheid plaats voor krachten zoals oppervlaktespanning, weerstand en viscositeit, waardoor traditionele mechanische ledematen gevoelig zijn voor falen. Het innovatieve voortstuwingssysteem van het team maakt gebruik van geïnduceerde elektrische velden om ionen in de omringende vloeistof onder controle te houden en watermoleculen naar voren te duwen, net zoals een robot zichzelf voortbeweegt in een ‘bewegende rivier’.

De robots kunnen complexe trajecten afleggen met snelheden van één lichaamslengte per seconde en hun bewegingen coördineren als een school vissen. Een eenvoudig LED-lampje zorgt voor stroom, en een ontwerp zonder bewegende delen zorgt ervoor dat de machine robuust is, monsters herhaaldelijk kan overbrengen zonder schade en maanden kan draaien.

Om autonomie te bereiken, integreerden de onderzoekers ultrakleine computertechnologie van de groep van David Blau aan de Universiteit van Michigan, die als complementair werd gepresenteerd op een DARPA-conferentie. Het zonnepaneel produceert slechts 75 nanometer elektriciteit – ruim 100.000 keer minder dan een smartwatch – maar het circuit kan op extreem lage spanningen draaien. De processor, het geheugen, de sensoren en de motoren zijn allemaal geïntegreerd in een structuur van honderden microns. Het kan de temperatuur tot op een derde graad Celsius nauwkeurig meten en thermische gradiënten volgen om realtime gegevens te rapporteren.

Mensen communiceren met robots door middel van beweging: de computer codeert temperatuur en andere gegevens in ‘danskriebels’, die worden gedecodeerd door camera’s onder de microscoop, vergelijkbaar met de manier waarop bijen communiceren. Lichtpulsen kunnen individueel worden aangedreven en geprogrammeerd om de taakverdeling en samenwerking tussen robots te ondersteunen.

Miskin en Blau beschouwen dit als uitgangspunt. Dit platform combineert mechanische eenvoud, efficiënte elektronica en schaalbare productie. Het is geschikt voor velden die gedistribueerde microscopische intelligentie vereisen, wat het begin markeert van een nieuw tijdperk van microscopische robots.