Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Michigan construíram o menor robô autônomo totalmente programável já construído. Essas minúsculas máquinas podem nadar em líquidos, sentir o que está ao seu redor, responder por conta própria, funcionar por meses seguidos e custar cerca de um centavo cada para serem produzidas.
Cada robô é quase invisível sem ampliação e mede aproximadamente 200 x 300 x 50 mícrons. Isso os torna menores que um grão de sal. Como funcionam da mesma forma que muitos microrganismos vivos, estes robôs poderão um dia ajudar os médicos a monitorizar células individuais ou ajudar os engenheiros a montar pequenos dispositivos utilizados na produção avançada.
Os robôs são alimentados inteiramente por luz e contêm microcomputadores que lhes permitem seguir caminhos programados, detectar mudanças locais de temperatura e ajustar seus movimentos conforme necessário.
Este trabalho foi relatado em robô científico e Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS). Ao contrário das micromáquinas anteriores, estes robôs não dependem de fios, campos magnéticos ou controles externos. Isso os torna os primeiros robôs autônomos e programáveis verdadeiramente de pequena escala.
“Tornamos robôs autônomos 10.000 vezes menores”, disse Marc Miskin, professor assistente de engenharia elétrica e de sistemas na Faculdade de Engenharia da Pensilvânia e autor sênior do artigo. “Isso abre uma escala totalmente nova para robôs programáveis.”
Por que encolher robôs é tão difícil
A eletrônica ficou gradualmente menor nas últimas décadas, mas a robótica não seguiu a mesma trajetória. Miskin disse que a independência em dimensões menores que um milímetro continua a ser um desafio não resolvido. “É muito difícil construir robôs que operem de forma independente e tenham menos de um milímetro de tamanho”, disse ele. “O campo tem sido basicamente atormentado por esse problema há 40 anos.”
Na escala cotidiana, o movimento é determinado por forças como a gravidade e a inércia, que dependem do volume de um objeto. No entanto, em escalas microscópicas, as forças relacionadas à superfície dominam. A resistência e a aderência tornam-se esmagadoras, mudando drasticamente a forma como o movimento funciona. “Se você for pequeno o suficiente, empurrar água é como empurrar alcatrão”, disse Miskin.
Devido a essa mudança na física, os projetos tradicionais de robôs falharam. Braços ou pernas pequenas quebram facilmente e são extremamente difíceis de fazer. “Pernas e braços muito pequenos quebram facilmente”, explicou Miskin. “Eles também são difíceis de construir.”
Para superar essas limitações, os pesquisadores desenvolveram uma nova forma de movimento do robô que funciona com a física do mundo microscópico, e não contra ela.
Como pequenos robôs nadam
Peixes e outros grandes nadadores movem-se empurrando-se para trás na água, produzindo movimento para frente de acordo com a terceira lei de Newton. Os microrrobôs adotam uma abordagem muito diferente.
Em vez de dobrar ou flexionar, o robô gera um campo elétrico que empurra suavemente as partículas carregadas no líquido circundante. À medida que esses íons se movem, eles arrastam consigo moléculas de água próximas, criando efetivamente movimento no fluido ao redor do robô. “É como se o robô estivesse em um rio em movimento, mas o robô também fazia o rio se mover”, disse Miskin.
Ao ajustar esse campo elétrico, os robôs podem mudar de direção, seguir caminhos complexos e até coordenar os movimentos de seu grupo como um cardume de peixes. Eles podem atingir velocidades de até um comprimento de corpo por segundo.
Como esse método de natação utiliza eletrodos sem partes móveis, o robô é extremamente durável. Segundo Miskin, eles podem ser transferidos repetidamente entre amostras com uma micropipeta sem causar danos. Os robôs são alimentados por luzes LED e podem nadar continuamente durante meses.
Colocando sabedoria no corpo microscópico
A verdadeira autonomia requer mais do que movimento. O robô também deve ser capaz de sentir o ambiente, tomar decisões e se alimentar. Todos esses componentes devem ser montados em um chip com apenas uma fração de milímetro de diâmetro. Este desafio foi aceito pela equipe de David Blaauw da Universidade de Michigan.
O laboratório de Blau já detém o recorde de criação do menor computador do mundo. Quando Blaauw e Miskin se conheceram numa apresentação na Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) há cinco anos, rapidamente perceberam que as suas tecnologias se complementavam. “Vimos que o sistema de propulsão da Penn Engineering e nosso microcomputador se encaixavam naturalmente”, disse Blau. Mesmo assim, transformar a ideia em um robô funcional ainda levou cinco anos de desenvolvimento.
Um dos maiores obstáculos é o poder. “O principal desafio da eletrônica é que os painéis solares são pequenos e só podem produzir 75 nanowatts de energia. Isso é mais de 100 mil vezes menos energia do que um relógio inteligente consome”, disse Blaauw. Para fazer o sistema funcionar, a equipe projetou circuitos especializados que operam em tensões extremamente baixas, reduzindo o consumo de energia em mais de 1.000 vezes.
O espaço é outra limitação importante. Os painéis solares ocupam a maior parte da superfície do robô, deixando pouco espaço para o hardware de computação. Para resolver esse problema, os pesquisadores redesenharam a forma como o software do robô funciona. “Tivemos que repensar completamente as instruções dos programas de computador”, explica Blau, “condensando instruções que tradicionalmente exigem muitas instruções de controle de propulsão em uma única instrução especializada para reduzir o comprimento do programa e caber no minúsculo espaço de memória do robô.”
Robôs com capacidade de sentir e se comunicar
Juntos, os pesquisadores acreditam que esses avanços criam o primeiro robô submilimétrico capaz de realmente tomar decisões. Até onde se sabe, ninguém jamais colocou um computador completo com processador, memória e sensores em um robô tão pequeno. Essa conquista permite que os robôs sintam o ambiente e reajam de forma independente.
Os robôs estão equipados com sensores eletrônicos de temperatura que podem detectar mudanças tão pequenas quanto um terço de grau Celsius. Essa capacidade permite que eles se movam em direção a regiões mais quentes ou relatem valores de temperatura que servem como indicadores de atividade celular, fornecendo uma forma de monitorar células individuais.
A comunicação destas medições requer uma solução criativa. “Para relatar suas medições de temperatura, projetamos uma instrução especial de computador que codifica um valor, como a temperatura medida, nas oscilações da pequena dança que os robôs executam”, disse Blau. “Nós então observamos essa dança através de um microscópio com uma câmera e decodificamos o que o robô estava nos dizendo nos balanços. Isso é muito semelhante à forma como as abelhas se comunicam umas com as outras.”
A mesma luz que alimenta os robôs também é usada para programá-los. Cada robô possui um endereço único, permitindo que os pesquisadores carreguem instruções diferentes para unidades diferentes. “Isso abre muitas possibilidades”, acrescentou Blau, “onde cada robô poderia potencialmente desempenhar um papel diferente em uma missão conjunta maior”.
Plataforma para futuras micromáquinas
Os robôs atuais são apenas um ponto de partida. Versões futuras poderão conter programas mais avançados, mover-se mais rapidamente, incluir sensores adicionais ou operar em ambientes mais hostis. Os pesquisadores projetaram o sistema como uma plataforma flexível que combina um método de propulsão poderoso com componentes eletrônicos que podem ser fabricados de forma barata e ajustados ao longo do tempo.
“Este é realmente apenas o primeiro capítulo”, disse Myskin. “Mostramos que você pode colocar um cérebro, sensores e motores em algo que é quase invisível e fazê-lo sobreviver e funcionar por meses. Depois de ter essa base, você pode acumular todos os tipos de inteligência e funcionalidade. Isso abre a porta para um futuro totalmente novo da robótica microscópica.”
A pesquisa foi conduzida na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia, na Escola de Artes e Ciências da Universidade da Pensilvânia e no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação da Universidade de Michigan. O financiamento vem da National Science Foundation (NSF 2221576), do Gabinete do Presidente da Universidade da Pensilvânia, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR FA9550-21-1-0313), do Escritório de Pesquisa do Exército (ARO YIP W911NF-17-S-0002), da Fundação Packard, da Fundação Sloan e do Programa Nacional de Infraestrutura de Coordenação de Nanotecnologia da NSF (NNCI-2025608). junto com a Fujitsu Semiconductor, que apoia o Singer Nanotechnology Center.
Outros coautores incluem Maya M. Lassiter, Kyle Skelil, Lucas C. Hanson, Scott Shrager, William H. Reinhardt, Tarunyaa Sivakumar e Mark Yim da Universidade da Pensilvânia, e Dennis Sylvester, Li Xu e Jungho Lee da Universidade de Michigan.
