Os menores microrobôs autônomos do mundo:nadadores de 200 µm que operam por meses

Robótica e Automação INSIDER
Um microrobô com uma moeda de um centavo dos EUA, mostrando escala. (Imagem:Michael Simari, Universidade de Michigan)
Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Michigan criaram os menores robôs autônomos e totalmente programáveis do mundo:máquinas nadadoras microscópicas que podem detectar e responder de forma independente ao ambiente, operam por meses e custam apenas um centavo cada. Quase invisível 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 fazer avançar a medicina monitorando a saúde de células individuais e fabricando, ajudando a construir dispositivos em microescala.

Alimentados por luz, os robôs carregam computadores microscópicos e podem ser programados para se moverem em padrões complexos, detectarem temperaturas locais e ajustarem seus caminhos de acordo.

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

Durante décadas, os eletrônicos ficaram cada vez menores, mas os robôs têm lutado para acompanhar o ritmo. “Construir robôs que operem de forma independente em tamanhos abaixo de um milímetro é incrivelmente difícil”, disse Miskin. “O campo está basicamente preso a esse problema há 40 anos.”

As forças que dominam o mundo humano, como a gravidade e a inércia, dependem do volume. No entanto, diminua até o tamanho de uma célula e as forças ligadas à área da superfície, como o arrasto e a viscosidade, assumem o controle. “Se você for pequeno o suficiente, empurrar a água é como empurrar alcatrão”, disse Miskin. Por outras palavras, à microescala, as estratégias que movem robôs maiores, como membros, raramente têm sucesso. “Pernas e braços muito pequenos são fáceis de quebrar”, diz Miskin. “Eles também são muito difíceis de construir.” Assim, a equipe teve que projetar um sistema de propulsão inteiramente novo, que funcionasse com – e não contra – a física única da 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 sobre o peixe, impulsionando-o para a frente. Os novos robôs, por outro lado, não flexionam seus corpos. Em vez disso, eles geram um campo elétrico que empurra os íons na solução circundante. Esses íons, por sua vez, empurram as 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 fazendo o rio se mover”.

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

E como os eletrodos que geram o campo não possuem partes móveis, os robôs são extremamente duráveis. “Você pode transferir repetidamente esses robôs de uma amostra para outra usando uma micropipeta sem danificá-los”, diz Miskin. Carregados pelo brilho de um LED, os robôs podem nadar durante meses a fio.

Para ser verdadeiramente autónomo, um robô precisa de um computador para tomar decisões, de componentes eletrónicos para sentir o que o rodeia e controlar a sua propulsão, e de minúsculos painéis solares para alimentar tudo, e tudo o que precisa de caber num chip com uma fração de milímetro de tamanho. Foi aqui que a equipe de David Blaauw, da Universidade de Michigan, entrou em ação.

O laboratório de Blaauw detém o recorde do menor computador do mundo. Quando Miskin e Blaauw se conheceram em uma apresentação organizada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), há cinco anos, a dupla percebeu imediatamente 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, foram necessários cinco anos de trabalho árduo de ambos os lados para entregar seu primeiro robô funcional.

"O principal desafio para a eletrónica", disse Blaauw, "é que os painéis solares são minúsculos e produzem apenas 75 nanowatts de energia. Isso é 100.000 vezes menos energia do que um relógio inteligente consome". Para operar o computador do robô com tão pouca energia, a equipe de Michigan desenvolveu circuitos especiais que operam em tensões extremamente baixas e reduzem o consumo de energia do computador em mais de 1.000 vezes.

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

O que essas inovações tornaram possível foi o primeiro robô submilimétrico que pode realmente pensar. Pelo que os pesquisadores sabem, ninguém havia colocado um computador verdadeiro – processador, memória e sensores – em um robô tão pequeno. Essa inovação faz destes dispositivos os primeiros robôs microscópicos que podem sentir e agir por si próprios.

Os robôs possuem sensores eletrônicos que podem detectar a temperatura com precisão de um terço de grau Celsius. Isso permite que os robôs se movam em direção a áreas de aumento de temperatura ou relatem a temperatura – um proxy para a atividade celular – permitindo-lhes monitorar a saúde de células individuais.

“Para relatar suas medições de temperatura, projetamos uma instrução especial de computador que codifica um valor, como a temperatura medida, nos movimentos de uma pequena dança que o robô executa”, diz Blaauw. "Observamos então esta dança através de um microscópio com uma câmara e descodificamos a partir dos movimentos o que os robôs nos dizem. É muito semelhante à forma como as abelhas comunicam umas com as outras."

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

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

“Este é realmente apenas o primeiro capítulo”, disse Miskin. "Mostramos que é possível colocar um cérebro, um sensor e um motor em algo quase pequeno demais para ser visto, e fazê-lo sobreviver e funcionar por meses. Depois de ter essa base, você pode aplicar todos os tipos de inteligência e funcionalidade. Isso abre a porta para um futuro totalmente novo para a robótica em microescala."

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