Elektroniska “hjärnor” gör det möjligt för smarta mikrorobotar att gå

Ett team av forskare vid Cornell University har installerat elektroniska “hjärnor” på solcellsbaserade robotar som mäter endast 100 till 250 mikrometer i storlek, vilket gör det möjligt för dem att gå autonomt utan yttre kontroll.

Den nya forskningsartikeln med titeln “Microscopic Robots with Onboard Digital Control” publicerades i Science Robotics.

Grupper av forskare har redan utvecklat mikroskopiska maskiner som kan krypa, simma, vika sig och mer. Men trådar användes alltid för att generera rörelse och tillhandahålla elektrisk ström, eller laserstrålar måste fokuseras på specifika områden av roboten.

Itai Cohen är professor i fysik.

“Tidigare var vi tvungna att manipulera dessa ‘trådar’ för att få någon form av respons från roboten”, säger prof. Cohen. “Men nu har vi dessa ‘hjärnor’ ombord, det är som att ta bort trådarna från marionetten. Det är som när Pinocchio får medvetande.”

De nya utvecklingarna kan hjälpa till att införa en ny generation av mikroskopiska enheter som kan göra saker som spåra bakterier, identifiera kemikalier, bekämpa föroreningar och mycket mer.

Teamet bestod av forskare från labb hos Cohen, Alyosha Maoinar, biträdande professor i elektroteknik och datorteknik; och Paul McEuen, professor i fysik. Huvudförfattare till artikeln är postdoktoranden Michael Reynolds.

Vad är den elektroniska “hjärnan”?

Den elektroniska “hjärnan” som teamet talar om är en kompletterande metalloxid-halvledar-krets som består av tusen transistorer och en matris av dioder, resistorer och kondensatorer. Med den integrerade CMOS-kretsen kan en signal genereras för att producera en serie av fasförskjutna fyrkantsvågsfrekvenser som ställer in robotens gång. Robotens ben är platinum-baserade aktuatorer, och både kretsen och benen drivs av fotovoltaiska celler.

“Till slut kommer förmågan att kommunicera ett kommando att tillåta oss att ge roboten instruktioner, och den inre ‘hjärnan’ kommer att lista ut hur den ska utföra dem”, säger Cohen. “Då har vi en konversation med roboten. Roboten kan berätta något om sin miljö, och sedan kan vi reagera genom att säga ‘OK, gå dit och försök att ta reda på vad som händer.'”

Makroskala robotar som har ombord CMOS-elektronik är cirka 10 000 gånger större än denna nyligen utvecklade robot, som också kan gå i hastigheter snabbare än 10 mikrometer per sekund.

Det innovativa tillverkningsförfarandet som utvecklats av teamet har lett till en plattform som kan hjälpa andra forskare att utrusta mikroskopiska robotar med sina egna appar, som kan inkludera kemiska detektorer eller fotovoltaiska “ögon” som hjälper robotarna att navigera genom att känna av ljusförändringar.

“Detta låter dig föreställa dig riktigt komplexa, högt funktionsdugliga mikroskopiska robotar som har en hög grad av programmerbarhet, integrerad med inte bara aktuatorer, utan också sensorer”, säger Reynolds. “Vi är spända på tillämpningarna inom medicin — något som kan röra sig i vävnad och identifiera goda celler och döda dåliga celler — och inom miljösanering, liv om du hade en robot som visste hur man bryter ner föroreningar eller känner av en farlig kemikalie och blir av med den.”