Cientistas criam robôs menores que um grão de sal que podem pensar

Cada robô é pouco visível sem ampliação, medindo cerca de 200 por 300 por 50 micrômetros. Isso os torna menores que um grão de sal. Como funcionam na mesma escala que muitos microrganismos vivos, os robôs poderão um dia ajudar os médicos a monitorar células individuais ou auxiliar os engenheiros na montagem de pequenos dispositivos usados ​​na fabricação avançada.

Alimentados inteiramente por luz, os robôs contêm computadores microscópicos que lhes permitem seguir caminhos programados, detectar mudanças locais de temperatura e ajustar seu movimento em resposta.

O trabalho foi relatado em Robótica Científica e Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS). Ao contrário das minúsculas máquinas anteriores, esses robôs não dependem de fios, campos magnéticos ou controles externos. Isto faz deles os primeiros robôs verdadeiramente autónomos e programáveis ​​numa escala tão pequena.

“Tornamos robôs autônomos 10.000 vezes menores”, diz Marc Miskin, professor assistente de Engenharia Elétrica e de Sistemas na Penn Engineering e autor sênior dos artigos. “Isso abre uma escala inteiramente nova para robôs programáveis.”

Por que encolher robôs tem sido tão difícil

A eletrônica tornou-se cada vez menor nas últimas décadas, mas a robótica não seguiu a mesma trajetória. De acordo com Miskin, a independência em tamanhos abaixo de um milímetro continua sendo um desafio sem solução. “Construir robôs que operem de forma independente em tamanhos abaixo de um milímetro é incrivelmente difícil”, diz ele. “O campo está basicamente preso a esse problema há 40 anos.”

Nas escalas cotidianas, o movimento é moldado por forças como a gravidade e a inércia, que dependem do volume de um objeto. Em tamanhos microscópicos, entretanto, as forças relacionadas à superfície dominam. O arrasto e a viscosidade tornam-se esmagadores, mudando drasticamente a forma como o movimento funciona. “Se você for pequeno o suficiente, empurrar a água é como empurrar o alcatrão”, diz Miskin.

Devido a esta mudança na física, os projetos robóticos convencionais falham. Braços ou pernas pequenas tendem a quebrar facilmente e são extremamente difíceis de fabricar. “Pernas e braços muito pequenos são fáceis de quebrar”, explica Miskin. “Eles também são muito difíceis de construir.”

Para superar essas limitações, os pesquisadores desenvolveram uma maneira completamente nova de os robôs se moverem, que funciona com a física do mundo microscópico, em vez de lutar contra ela.

Como os robôs microscópicos nadam

Peixes e outros grandes nadadores movem-se empurrando a água para trás, gerando movimento para frente através da Terceira Lei de Newton. Os pequenos robôs adotam uma abordagem muito diferente.

Em vez de dobrar ou flexionar, os robôs geram 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”, diz Miskin, “mas o robô também está fazendo o rio se mover”.

Ao ajustar esse campo elétrico, os robôs podem mudar de direção, seguir caminhos complexos e até coordenar seus movimentos em grupos que lembram cardumes de peixes. Eles podem atingir velocidades de até um comprimento de corpo por segundo.

Como este método de natação utiliza eletrodos sem partes móveis, os robôs são extremamente duráveis. Segundo Miskin, eles podem ser transferidos repetidamente entre amostras com uma micropipeta sem danos. Alimentados pela luz de um LED, os robôs conseguem nadar por meses.

Empacotando inteligência em um corpo microscópico

A verdadeira autonomia requer mais do que movimento. Um robô também deve ser capaz de sentir seu ambiente, tomar decisões e se alimentar. Todos esses componentes devem caber em um chip com apenas uma fração de milímetro de diâmetro. Este desafio foi assumido pela equipe de David Blaauw da Universidade de Michigan.

O laboratório de Blaauw já detém o recorde de criação do menor computador do mundo. Quando Blaauw e Miskin se conheceram em uma apresentação da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), há cinco anos, eles rapidamente perceberam que suas tecnologias se complementavam. “Vimos que o sistema de propulsão da Penn Engineering e nossos minúsculos computadores eletrônicos foram feitos um para o outro”, diz Blaauw. Mesmo assim, transformar essa ideia em um robô funcional exigiu cinco anos de desenvolvimento.

Um dos maiores obstáculos era o poder. “O principal desafio para a eletrônica”, 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 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 era outra grande restrição. Os painéis solares ocupam a maior parte da superfície do robô, deixando muito pouco espaço para hardware de computação. Para resolver isso, os pesquisadores redesenharam o funcionamento do software do robô. “Tivemos que repensar totalmente as instruções do programa de computador”, explica 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”.

Robôs que sentem e se comunicam

Juntos, esses avanços produziram o que os pesquisadores acreditam ser o primeiro robô submilimétrico capaz de tomar decisões reais. Até onde eles sabem, ninguém havia colocado anteriormente um computador completo com processador, memória e sensores em um robô tão pequeno. Essa conquista permite que os robôs sintam o ambiente e respondam de forma independente.

Os robôs incluem sensores eletrônicos de temperatura que podem detectar mudanças tão pequenas quanto um terço de grau Celsius. Esta capacidade permite-lhes deslocar-se para regiões mais quentes ou reportar valores de temperatura que podem servir como indicadores de atividade celular, oferecendo uma forma de monitorizar células individuais.

A comunicação dessas medições exigia uma solução inventiva. “Para relatar as 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. “Nós então olhamos para essa 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.”

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 uma série de possibilidades”, acrescenta Blaauw, “com cada robô potencialmente desempenhando um papel diferente em uma tarefa conjunta maior”.

Uma plataforma para futuras máquinas microscópicas

Os robôs atuais são apenas o ponto de partida. Versões futuras poderão conter programas mais avançados, mover-se mais rapidamente, incluir sensores adicionais ou funcionar em ambientes mais adversos. Os pesquisadores projetaram o sistema como uma plataforma flexível, combinando um método de propulsão robusto com componentes eletrônicos que podem ser fabricados de forma barata e adaptados ao longo do tempo.

“Este é realmente apenas o primeiro capítulo”, diz Miskin. “Mostramos que você pode colocar um cérebro, um sensor e um motor em algo quase pequeno demais para ser visto, e fazer com que ele sobreviva e funcione 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.”

A pesquisa foi conduzida na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia (Penn), na Penn School of Arts & Sciences e no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação da Universidade de Michigan. O financiamento veio 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 Coordenada de Nanotecnologia da NSF (NNCI-2025608), que apoia o Singh Center for Nanotechnology, juntamente com a Fujitsu Semiconductors.

Coautores adicionais 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.