Menores Microrrobôs Autônomos do Mundo: Nadadores de 200µm que Operam por Meses

Robotics & Automation INSIDER

Um microrrobô em uma moeda de 1 centavo dos EUA, mostrando escala. (Imagem: Michael Simari, Universidade de Michigan)

Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e Universidade de Michigan criaram os menores robôs totalmente programáveis e autônomos do mundo: máquinas microscópicas nadadoras que podem independentemente sensoriar e responder a seu entorno, operar por meses e custam apenas um centavo cada. Mal visíveis a olho nu, cada robô mede cerca de 200 por 300 por 50 micrômetros, menor que um grão de sal. Operando na escala de muitos microrganismos biológicos, os robôs poderiam avançar a medicina monitorando a saúde de células individuais e a manufatura, ajudando a construir dispositivos em microescala.

Alimentados por luz, os robôs carregam computadores microscópicos e podem ser programados para mover-se em padrões complexos, sensoriar temperaturas locais e ajustar seus caminhos de acordo.

Descritos em Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), os robôs operam sem cabos, campos magnéticos ou controle tipo joystick do exterior, tornando-os os primeiros robôs verdadeiramente autônomos e programáveis nesta escala.

Por décadas, eletrônicos ficaram menores e menores, mas robôs lutaram para acompanhar. "Construir robôs que operam independentemente em tamanhos abaixo de um milímetro é incrivelmente difícil," disse Miskin. "O campo essencialmente ficou preso neste problema por 40 anos."

As forças que dominam o mundo humano, como gravidade e inércia, dependem de volume. Encolha para o tamanho de uma célula, porém, e forças ligadas a área de superfície, como arrasto e viscosidade, assumem. "Se você é pequeno o suficiente, empurrar água é como empurrar através de alcatrão," disse Miskin. Em outras palavras, na microescala, estratégias que movem robôs maiores, como membros, raramente têm sucesso. "Pernas e braços minúsculos são fáceis de quebrar," diz Miskin. "Eles também são muito difíceis de construir." Então, a equipe teve que projetar um sistema de propulsão inteiramente novo, um que funcionasse com — em vez de contra — a física única de locomoção no reino microscópico.

Grandes criaturas aquáticas, como peixes, movem-se empurrando a água atrás deles. Graças à Terceira Lei de Newton, a água exerce uma força igual e oposta no peixe, impulsionando-o para frente. Os novos robôs, por contraste, não flexionam seus corpos de forma alguma. Em vez disso, geram um campo elétrico que empurra íons na solução circundante. Esses íons, por sua vez, empurram moléculas de água próximas, animando a água ao redor do corpo do robô. "É como se o robô estivesse em um rio em movimento," diz Miskin, "mas o robô também está causando o rio a mover."

Os robôs podem ajustar o campo elétrico que causa o efeito, permitindo que se movam em padrões complexos e até viajem em grupos coordenados, muito como um cardume de peixes, a velocidades de até um comprimento de corpo por segundo.

E como os eletrodos que geram o campo não têm partes móveis, os robôs são extremamente duráveis. "Você pode transferir repetidamente estes robôs de uma amostra para outra usando uma micropipeta sem danificá-los," diz Miskin. Carregados pelo brilho de um LED, os robôs podem continuar nadando por meses a fio.

Para ser verdadeiramente autônomo, um robô precisa de um computador para tomar decisões, eletrônicos para sensoriar seu entorno e controlar sua propulsão, e minúsculos painéis solares para alimentar tudo, e tudo isso precisa caber em um chip que é uma fração de milímetro em tamanho. É aqui que a equipe de David Blaauw na Universidade de Michigan entrou em ação.

O laboratório de Blaauw detém o recorde de menor computador do mundo. Quando Miskin e Blaauw se conheceram pela primeira vez em uma apresentação hospedada pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) há cinco anos, a dupla imediatamente percebeu que suas tecnologias eram uma combinação perfeita. "Vimos que o sistema de propulsão da Penn Engineering e nossos minúsculos computadores eletrônicos foram feitos um para o outro," disse Blaauw. Ainda assim, levou cinco anos de trabalho duro em ambos os lados para entregar seu primeiro robô funcional.

"O desafio chave para a eletrônica," disse Blaauw, "é que os painéis solares são minúsculos e produzem apenas 75 nanowatts de potência. Isso é mais de 100.000 vezes menos potência do que um smartwatch consome." Para rodar o computador do robô com tão pouca potência, a equipe de Michigan desenvolveu circuitos especiais que operam em voltagens extremamente baixas e reduzem o consumo de potência do computador em mais de 1000 vezes.

Ainda assim, os painéis solares ocupam a maior parte do espaço no robô. Portanto, o segundo desafio foi comprimir o processador e memória para armazenar um programa no pouco espaço que restava. "Tivemos que repensar totalmente as instruções do programa do computador," disse Blaauw, "condensando o que convencionalmente requereria muitas instruções para controle de propulsão em uma única instrução especial para encolher o comprimento do programa para caber no minúsculo espaço de memória do robô."

O que estas inovações tornaram possível é o primeiro robô sub-milímetro que pode realmente pensar. Para o conhecimento dos pesquisadores, ninguém colocou anteriormente um computador verdadeiro — processador, memória e sensores — em um robô tão pequeno. Esse avanço torna estes dispositivos os primeiros robôs microscópicos que podem sensoriar e agir por si mesmos.

Os robôs têm sensores eletrônicos que podem detectar temperatura dentro de um terço de grau Celsius. Isso permite robôs moverem-se em direção a áreas de temperatura crescente ou reportarem a temperatura — um proxy para atividade celular — permitindo-lhes monitorar a saúde de células individuais.

"Para reportar suas medições de temperatura, desenhamos uma instrução de computador especial que codifica um valor, como a temperatura medida, nos movimentos de uma pequena dança que o robô executa," diz Blaauw. "Então olhamos esta dança através de um microscópio com uma câmera e decodificamos dos movimentos o que os robôs estão nos dizendo. É muito similar a como abelhas se comunicam entre si."

Os robôs são programados por pulsos de luz que também os alimentam. Cada robô tem um endereço único que permite aos pesquisadores carregar programas diferentes em cada um deles. "Isso abre uma série de possibilidades," adicionou Blaauw, "com cada robô potencialmente executando um papel diferente em uma tarefa maior e conjunta."

Versões futuras dos robôs poderiam armazenar programas mais complexos, mover-se mais rápido, integrar novos sensores ou operar em ambientes mais desafiadores. Em essência, o design atual é uma plataforma geral: seu sistema de propulsão funciona perfeitamente com eletrônicos, seus circuitos podem ser fabricados barato em escala, e seu design permite adicionar novas capacidades.

"Este é realmente apenas o primeiro capítulo," disse Miskin. "Mostramos que você pode colocar um cérebro, um sensor e um motor em algo quase pequeno demais para ver, e fazê-lo sobreviver e funcionar por meses. Uma vez que você tem essa fundação, pode adicionar camadas de todo tipo de inteligência e funcionalidade. Abre a porta para um futuro totalmente novo para robótica na microescala."

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