Um microrobô com uma moeda de um centavo dos EUA, mostrando escala. | Fonte: Michael Simari, Universidade de Michigan
Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Michigan criaram o que afirmam ser os menores robôs autônomos e totalmente programáveis do mundo. Os robôs são 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. Isso os torna menores 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.
Da mesma forma, pesquisadores do Instituto Técnico de Física e Química da Academia Chinesa de Ciências recentemente relatado usando microrrobô multimaterial e multimódulo para capturar objetos tão pequenos quanto células. Usando a escrita direta a laser de femtosegundo para padronizar e integrar diferentes materiais na escala micrométrica, seu sistema em formato de mão pode agarrar, transportar e liberar objetos que os sistemas de material único não conseguem alcançar.
Alimentados por luz, os robôs carregam computadores microscópicos. Eles podem ser programados para se moverem em padrões complexos, detectar temperaturas locais e ajustar seus caminhos de acordo.
Descrito em Robótica Científica e Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS), os robôs operam sem amarras, campos magnéticos ou controles externos do tipo joystick, tornando-os os primeiros robôs programáveis verdadeiramente autônomos nesta escala, disseram os pesquisadores.
“Tornamos robôs autônomos 10.000 vezes menores”, disse Marc Miskinprofessor assistente de engenharia elétrica e de sistemas na Penn Engineering e autor sênior do artigo. “Isso abre uma escala totalmente nova para robôs programáveis.”
Miskin sobre quebrar a barreira submilimétrica
Os estágios finais da fabricação de microrobôs implantam centenas de robôs ao mesmo tempo. As minúsculas máquinas podem então ser programadas individualmente ou em massa para realizar experimentos. | Fonte: Maya Lassiter, Universidade da Pensilvânia
Durante décadas, os eletrônicos ficaram cada vez menores, mas os robôs têm lutado para acompanhar o ritmo”, disse Miskin. “Construir robôs que operem de forma independente em tamanhos abaixo de um milímetro é incrivelmente difícil. 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 o 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”, observou Miskin. “Eles também são muito difíceis de construir.”
Assim, a equipe da Universidade da Pensilvânia teve que projetar um sistema de propulsão inteiramente novo, que funcionasse a favor — e não contra — a física única da locomoção no reino microscópico.
Pesquisadores fazem os robôs nadarem
Um lapso de tempo projetado de trajetórias de partículas traçadoras perto de um robô que consiste em três motores interligados. | Fonte: Lucas Hanson e William Reinhardt, Universidade da Pensilvânia
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 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”, disse Miskin.
Carregados pelo brilho de um LED, os robôs podem nadar durante meses a fio.
Pesquisadores da Universidade de Michigan dão cérebros aos robôs
O robô possui um computador de bordo completo, que permite receber e seguir instruções de forma autônoma. | Fonte: Laboratório Miskin, Penn Engineering; Laboratório Blaauw, Universidade de Michigan
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. É aqui que David BlaauwA equipe 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”, lembrou 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”, diz 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, 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”, disse Blaauw.
Robôs que sentem, lembram e reagem
Um microrobô, totalmente integrado com sensores e um computador, é pequeno o suficiente para se equilibrar na ponta de uma impressão digital. | Fonte: Marc Miskin, Universidade da Pensilvânia
O que estas inovações tornaram possível foi o primeiro robô submilimétrico que pode realmente pensar, disseram os investigadores. Eles disseram que, até onde sabem, ninguém havia colocado um computador verdadeiro, incluindo processador, memória e sensores, em um robô tão pequeno. Essa descoberta faz destes dispositivos os primeiros robôs microscópicos que podem sentir e agir por si próprios, afirmou a equipe.
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 temperatura crescente 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”, disse Blaauw. “Observamos então esta dança através de um microscópio com uma câmera e decodificamos a partir dos movimentos o que os robôs estão nos dizendo. É muito semelhante à forma como as abelhas se comunicam entre si.”
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 robô. “Isso abre uma série de possibilidades, com cada robô desempenhando potencialmente uma função diferente em uma tarefa conjunta maior”, acrescentou Blaauw.
Microrobôs apenas o começo, dizem pesquisadores
Versões futuras dos robôs poderão armazenar programas mais complexos, mover-se mais rapidamente, integrar novos sensores ou operar em ambientes mais desafiadores, disseram os pesquisadores. 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.”
