Elektronische “Hersenen” Zorgen voor Slimme Microrobots die Kunnen Lopen

Een team van onderzoekers aan de Cornell University heeft elektronische “hersenen” geïnstalleerd op zonnecel-aangedreven robots die slechts 100 tot 250 micrometer groot zijn, waardoor ze autonoom kunnen lopen zonder extern te worden gecontroleerd.

Het nieuwe onderzoeksartikel met de titel “Microscopische Robots met Onboard Digitale Besturing” is gepubliceerd in Science Robotics.

Groepen onderzoekers hebben al microscopische machines ontwikkeld die kunnen kruipen, zwemmen, zichzelf opvouwen en meer. Echter, werden er altijd draden gebruikt om beweging te genereren en elektrische stroom te leveren, of moesten laserstralen op specifieke locaties van de robot worden gericht.

Itai Cohen is een professor in de natuurkunde.

“Voorheen moesten we letterlijk aan deze ‘draden’ trekken om enige reactie van de robot te krijgen,” zegt prof. Cohen. “Maar nu hebben we deze hersenen aan boord, het is alsof we de draden van de marionet afhalen. Het is alsof Pinocchio bewustzijn krijgt.”

De nieuwe ontwikkelingen kunnen helpen bij het introduceren van een nieuwe generatie microscopische apparaten die dingen kunnen doen zoals bacteriën volgen, chemicaliën identificeren, verontreinigingen bestrijden en veel meer.

Het team bestond uit onderzoekers uit de laboratoria van Cohen, Alyosha Maoinar, associate professor in elektrotechniek en informatica; en Paul McEuen, een professor in de natuurwetenschappen. De hoofdauteur van het artikel is postdoctoraal onderzoeker Michael Reynolds.

Wat is de Elektronische “Hersenen”?

De elektronische “hersenen” waarover het team spreekt, is een complementaire metal-oxide-halfgeleider (CMOS) klokkircuit dat bestaat uit duizend transistors en een array van diodes, weerstanden en condensatoren. Met het geïntegreerde CMOS-circuit kan een signaal worden gegenereerd om een reeks fase-verschoven vierkante golf-frequenties te produceren die de pas van de robot bepalen. De benen van de robot zijn platinum-gebaseerde actuatoren, en zowel het circuit als de benen worden aangedreven door fotovoltaïsche cellen.

“Uiteindelijk zal de mogelijkheid om een opdracht te communiceren ons toelaten om de robot instructies te geven, en de interne hersenen zullen uitvinden hoe ze deze uit te voeren,” zei Cohen. “Dan hebben we een gesprek met de robot. De robot kan ons iets over zijn omgeving vertellen, en dan kunnen wij reageren door te zeggen: ‘Oké, ga daarheen en probeer te begrijpen wat er gebeurt.'”

Macroscale robots met onboard CMOS-elektronica zijn ongeveer 10.000 keer groter dan deze nieuw ontwikkelde robot, die ook kan lopen met snelheden sneller dan 10 micrometer per seconde.

Het innovatieve fabricageproces dat door het team is ontwikkeld, heeft geleid tot een platform dat andere onderzoekers in staat stelt om microscopische robots uit te rusten met hun eigen apps, die chemische detectoren of fotovoltaïsche “ogen” kunnen omvatten die helpen bij het navigeren door veranderingen in licht te detecteren.

“Dit laat je verbeelding werken over echt complexe, hoogfunctionele microscopische robots die een hoge mate van programmeerbaarheid hebben, geïntegreerd met niet alleen actuatoren, maar ook sensoren,” zei Reynolds. “We zijn enthousiast over de toepassingen in de geneeskunde – iets dat zich in weefsel kan bewegen en goede cellen kan identificeren en slechte cellen kan doden – en in milieusanering, leven als je een robot hebt die weet hoe hij verontreinigingen kan afbreken of een gevaarlijke chemische stof kan detecteren en elimineren.”