Elektronische “Gehirne” ermöglichen es intelligenten Mikrorobotern zu laufen

Ein Team von Forschern an der Cornell University hat elektronische “Gehirne” in solarbetriebene Roboter integriert, die nur 100 bis 250 Mikrometer groß sind, sodass sie autonom laufen können, ohne extern gesteuert zu werden.

Der neue Forschungsbericht mit dem Titel “Mikroskopische Roboter mit integrierter digitaler Steuerung” wurde in Science Robotics veröffentlicht.

Gruppen von Forschern haben bereits mikroskopische Maschinen entwickelt, die kriechen, schwimmen, sich falten und mehr können. Allerdings wurden immer Kabel verwendet, um die Bewegung zu erzeugen und den elektrischen Strom zu liefern, oder Laserstrahlen mussten auf bestimmte Stellen der Roboter gerichtet werden.

Itai Cohen ist Professor für Physik.

“Früher mussten wir buchstäblich an diesen ‘Fäden’ ziehen, um eine Reaktion vom Roboter zu erhalten”, sagt Prof. Cohen. “Aber jetzt haben wir diese Gehirne an Bord, es ist wie das Abnehmen der Fäden von einer Marionette. Es ist wie wenn Pinocchio das Bewusstsein erlangt.”

Die neuen Entwicklungen könnten dazu beitragen, eine neue Generation von mikroskopischen Geräten zu schaffen, die Dinge wie das Verfolgen von Bakterien, das Identifizieren von Chemikalien, das Bekämpfen von Schadstoffen und vieles mehr können.

Das Team bestand aus Forschern aus den Labors von Cohen, Alyosha Maoinar, Associate Professor für Elektrotechnik und Informatik; und Paul McEuen, Professor für physikalische Wissenschaften. Der Hauptautor des Artikels ist der Postdoktorand Michael Reynolds.

Was sind die elektronischen “Gehirne”?

Das elektronische “Gehirn”, über das das Team spricht, ist ein komplementärer Metal-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Taktzirkuit, der aus tausend Transistoren und einem Array von Dioden, Widerständen und Kondensatoren besteht. Mit dem integrierten CMOS-Schaltkreis kann ein Signal erzeugt werden, das eine Reihe von phasenverschobenen quadratischen Wellenfrequenzen erzeugt, die den Gang des Roboters bestimmen. Die Beine des Roboters sind platinbasierte Aktoren, und sowohl der Schaltkreis als auch die Beine werden von Photovoltaikzellen angetrieben.

“Schließlich wird die Fähigkeit, einen Befehl zu übermitteln, es uns ermöglichen, dem Roboter Anweisungen zu geben, und das interne Gehirn wird herausfinden, wie es sie ausführen kann”, sagte Cohen. “Dann haben wir eine Konversation mit dem Roboter. Der Roboter könnte uns etwas über seine Umgebung erzählen, und dann könnten wir reagieren, indem wir ihm sagen: ‘OK, geh dorthin und versuche, herauszufinden, was passiert.'”

Makroskopische Roboter mit integrierter CMOS-Elektronik sind etwa 10.000 Mal größer als dieser neu entwickelte Roboter, der auch mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 Mikrometern pro Sekunde laufen kann.

Der innovative Fertigungsprozess, den das Team entwickelt hat, hat zu einer Plattform geführt, die es anderen Forschern ermöglicht, mikroskopische Roboter mit ihren eigenen Anwendungen auszustatten, die chemische Detektoren oder photovoltaische “Augen” umfassen könnten, die den Robotern helfen, durch das Erkennen von Lichtveränderungen zu navigieren.

“Was uns das vorstellen lässt, sind wirklich komplexe, hochfunktionelle mikroskopische Roboter mit einem hohen Grad an Programmierbarkeit, integriert mit nicht nur Aktoren, sondern auch Sensoren”, sagte Reynolds. “Wir sind aufgeregt über die Anwendungen in der Medizin – etwas, das sich in Gewebe bewegen und gute Zellen identifizieren und schlechte Zellen töten kann – und in der Umwelt-sanierung, wenn man einen Roboter hätte, der wüsste, wie man Schadstoffe abbaut oder einen gefährlichen Chemikalien erkennt und loswird.”