Apenas visibles a simple vista, los nuevos robots de bajo coste pueden nadar, detectar la temperatura y ejecutar pequeños programas alimentados por luz. Los investigadores afirman que esta primera generación podría algún día ayudar a monitorizar células individuales y construir dispositivos microscópicos.
Apenas más grandes que un grano de polvo y más baratos que un centavo, una nueva generación de robots microscópicos pueden nadar, sentir su entorno y ejecutar pequeños programas de computadora, todo por sí solos.
Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan han presentado lo que, según afirman, son los robots autónomos totalmente programables más pequeños del mundo. Cada máquina mide aproximadamente 0.2 x 0.3 x 0.05 milímetros, opera a la escala de muchos microorganismos y es apenas visible a simple vista.
A pesar de su tamaño, los robots pueden moverse siguiendo patrones complejos, viajar en grupos coordinados, detectar cambios de temperatura y ajustar sus trayectorias en respuesta. Se alimentan y controlan mediante luz, pueden operar durante meses en el agua y su fabricación cuesta aproximadamente un centavo por unidad, según el equipo.
Marc Miskin, profesor adjunto de ingeniería eléctrica y de sistemas en Penn y autor principal de dos estudios complementarios, dijo que el trabajo lleva a la robótica a un nuevo régimen.
«Hemos hecho robots autónomos 10,000 veces más pequeños», declaró en un comunicado de prensa. «Esto abre una escala completamente nueva para los robots programables».
Los robots se describen en dos artículos, uno en Robótica Ciencia que se centra en su computación y detección integradas, y otro en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias que detalla cómo se mueven.
Los robots a microescala han sido durante mucho tiempo un objetivo para los científicos que imaginan máquinas diminutas que podrían desplazarse por el cuerpo, monitorear células individuales o ensamblar dispositivos microscópicos. Pero reducir el tamaño de un robot no es tan sencillo como reducir el tamaño de un chip de computadora. A escalas muy pequeñas, fuerzas como la resistencia y la viscosidad predominan, lo que dificulta enormemente el movimiento. Durante décadas, este desafío ha frenado el progreso.
El grupo de Miskin abordó el problema del movimiento replanteando el significado de "nadar" para un robot a microescala. En lugar de depender de piezas móviles como hélices o patas, los robots mueven el agua a su alrededor.
En agua a esta escala, la resistencia es tan intensa que es como intentar atravesar alquitrán. El sistema de propulsión del equipo evita esto mediante campos eléctricos. Los robots generan un campo que empuja las partículas cargadas, o iones, en el líquido circundante. Estos iones empujan las moléculas de agua cercanas, creando la fuerza suficiente para impulsar el robot. El resultado es un sistema de propulsión sin piezas mecánicas móviles, lo que hace que los robots sean duraderos y capaces de nadar durante meses.
Al mismo tiempo, el equipo de Michigan dirigido por los profesores de ingeniería eléctrica e informática David Blaauw y Dennis Sylvester había estado ampliando los límites de las computadoras diminutas, construyendo sistemas submilimétricos que establecen récords y que pueden detectar y calcular utilizando cantidades minúsculas de energía.
"Vimos que el sistema de propulsión de Penn Engineering y nuestras pequeñas computadoras estaban hechos el uno para el otro", dijo Blaauw, autor principal del estudio de Science Robotics, en el comunicado de prensa.
Para integrar un "cerebro" funcional en cada robot, el grupo de Blaauw tuvo que trabajar con limitaciones extremas. La computadora de a bordo consume unos 75 nanovatios de energía, aproximadamente 100,000 veces menos que un reloj inteligente. Para aprovechar incluso esa pequeña cantidad, los paneles solares cubren la mayor parte de la superficie del robot.
La potencia y la memoria limitadas obligaron a los investigadores a rediseñar el funcionamiento del software del robot.
“Tuvimos que repensar totalmente las instrucciones del programa de computadora, condensando lo que convencionalmente requeriría muchas instrucciones para el control de propulsión en una sola instrucción especial para ayudarnos a reducir la longitud del programa para que cupiera en la pequeña memoria del robot”, agregó Blaauw.
Los robots están programados y alimentados por pulsos de luz. Cada uno tiene un identificador único, lo que permite a un investigador proyectar luz con patrones y dar instrucciones diferentes a distintos robots en la misma gota de agua. En principio, esto significa que un enjambre de robots podría dividirse una tarea, y cada unidad asumiría una función específica.
En el estudio de Science Robotics, el equipo informa que este primer grupo de robots lleva sensores de temperatura capaces de detectar cambios de hasta un tercio de grado Celsius. En pruebas de laboratorio, los robots podrían desplazarse hacia regiones más cálidas o reportar la temperatura como indicador de actividad celular.
Para enviar información, los robots modifican su forma de moverse. Los investigadores lo comparan con el "baile de meneo" que utilizan las abejas para comunicarse. Al moverse siguiendo patrones específicos, los robots pueden codificar mensajes sencillos sobre lo que perciben.
De cara al futuro, el equipo imagina numerosos usos potenciales. En medicina, flotas de estos robots podrían algún día monitorizar la salud de células individuales, rastrear la respuesta de los tejidos a los fármacos o administrar terapias con extrema precisión. En la industria manufacturera, podrían ayudar a construir o inspeccionar dispositivos a microescala demasiado pequeños para que las herramientas humanas los manipulen.
Las versiones futuras podrían almacenar programas más complejos, moverse con mayor velocidad, integrar sensores adicionales u operar en entornos más desafiantes, más allá de los simples líquidos de laboratorio. Los robots actuales ya demuestran que es posible combinar detección, computación y movimiento a una escala inalcanzable hace apenas unos años.
“Este es solo el primer capítulo”, añadió Miskin. “Hemos demostrado que se puede incorporar un cerebro, un sensor y un motor a algo casi demasiado pequeño para verlo, y lograr que sobreviva y funcione durante meses. Una vez que se tiene esa base, se puede incorporar todo tipo de inteligencia y funcionalidad. Esto abre la puerta a un futuro completamente nuevo para la robótica a microescala”.
El proyecto reunió a expertos en robótica, microelectrónica y materiales de Pensilvania y Michigan, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y otras agencias y fundaciones. Los estudiantes de posgrado Maya Lassiter, de Pensilvania, y Jungho Lee, de Michigan, son coautores principales del trabajo.
Por ahora, los robots solo nadan en entornos de laboratorio cuidadosamente preparados. Pero a medida que la tecnología madure, según los investigadores, podría transformar la forma en que los científicos e ingenieros interactúan con el mundo microscópico: no solo observándolo a través de un microscopio, sino enviando máquinas diminutas para que sientan, piensen y actúen por sí mismas.
Fuente: Universidad de Michigan