Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan han desarrollado el robot autónomo más pequeño y totalmente programable. Estas máquinas microscópicas pueden nadar a través de líquidos, detectar su entorno, reaccionar por sí solas, funcionar durante meses seguidos y su fabricación cuesta alrededor de un centavo cada una.
Cada robot mide unos 200 por 300 por 50 micrómetros, visibles sin aumento. Esto los hace más pequeños que un grano de sal. Debido a que operan en la misma escala que muchos microorganismos vivos, algún día los robots podrían ayudar a los médicos a monitorear células individuales o ayudar a los ingenieros a ensamblar pequeños dispositivos utilizados en la fabricación avanzada.
Impulsados completamente por luz, los robots tienen computadoras microscópicas que les permiten seguir caminos programados, detectar cambios de temperatura locales y ajustar sus movimientos en respuesta.
Se reporta el trabajo Robótica científica Y Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).. A diferencia de las máquinas en miniatura anteriores, estos robots no dependen de cables, campos magnéticos ni controles externos. Esto los convierte en los primeros robots verdaderamente autónomos y programables a tan pequeña escala.
“Hemos hecho robots autónomos 10.000 veces más pequeños”, dijo Mark Miskin, profesor asistente de ingeniería eléctrica y de sistemas en Penn Engineering y autor principal del artículo. “Esto abre una escala completamente nueva para los robots programables”.
¿Por qué fue tan difícil reducir el tamaño del robot?
La electrónica se ha vuelto cada vez más pequeña en las últimas décadas, pero la robótica no ha seguido la misma trayectoria. Según Miskin, la libertad de tamaño por debajo de un milímetro sigue siendo un desafío sin resolver. “Es increíblemente difícil construir robots autónomos de menos de un milímetro de tamaño”, afirma. “El campo básicamente ha estado estancado con este problema durante 40 años”.
En escalas cotidianas, el movimiento está determinado por fuerzas como la gravedad y la inercia, que dependen del volumen de un objeto. Sin embargo, a escala microscópica, dominan las fuerzas relacionadas con la superficie. La resistencia y la viscosidad se vuelven abrumadoras, cambiando drásticamente el funcionamiento del movimiento. “Si eres lo suficientemente pequeño, empujar agua es como empujar alquitrán”, dice Miskin.
Debido a este cambio en la física, los diseños robóticos convencionales fracasan. Los brazos o piernas cortos se rompen fácilmente y son extremadamente difíciles de fabricar. “Las piernas y los brazos muy cortos son fáciles de romper”, explica Miskin. “También son muy difíciles de hacer”.
Para superar estas limitaciones, los investigadores desarrollaron una forma completamente nueva de mover robots que funciona con la física del mundo microscópico en lugar de luchar contra ella.
Cómo nadan los robots microscópicos
Los peces y otros grandes nadadores empujan el agua hacia atrás, creando un movimiento hacia adelante mediante la tercera ley de Newton. Los pequeños robots adoptan un enfoque muy diferente.
En lugar de retorcerse o doblarse, los robots crean un campo eléctrico que empuja suavemente partículas cargadas hacia el fluido circundante. A medida que estos iones se mueven, arrastran consigo las moléculas de agua cercanas, creando efectivamente movimiento en el líquido alrededor del robot. “Es como si el robot estuviera en un río en movimiento”, dice Miskin, “pero el robot también hace que el río se mueva”.
Al ajustar este campo eléctrico, los robots pueden cambiar de dirección, seguir caminos complejos e incluso coordinar sus movimientos en grupos similares a bancos de peces. Pueden alcanzar velocidades de hasta un cuerpo de longitud por segundo.
Debido a que este método de natación utiliza electrodos sin partes móviles, los robots son notablemente duraderos. Según Miskin, se pueden transferir repetidamente entre muestras con una micropipeta sin sufrir daños. Alimentados por la luz de un LED, los robots pueden nadar durante meses.
Empaquetando inteligencia en un cuerpo microscópico
La verdadera autonomía requiere más que movimiento. Un robot debe ser capaz de percibir su entorno, tomar decisiones y tomar el poder por sí solo. Todos estos componentes deben caber en un chip que mide sólo una fracción de milímetro. El equipo de David Blau de la Universidad de Michigan aceptó este desafío.
El laboratorio de Blauer ya ostenta el récord de construcción del ordenador más pequeño del mundo. Cuando Blau y Miskin se conocieron en una presentación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) hace cinco años, rápidamente se dieron cuenta de que sus tecnologías se complementaban entre sí. “Vimos que el sistema de propulsión de Penn Engineering y nuestras computadoras electrónicas en miniatura estaban hechos el uno para el otro”, dijo Blau. Aun así, convertir ese concepto en un robot funcional requirió cinco años de desarrollo.
El mayor obstáculo fue el poder. “El principal desafío para la electrónica”, afirma Blau, “es que los paneles solares son pequeños y producen sólo 75 nanovatios de energía. Eso es 100.000 veces menos energía que un reloj inteligente”. Para que el sistema funcione, el equipo diseñó circuitos especializados que funcionan a voltajes extremadamente bajos, reduciendo el consumo de energía más de 1000 veces.
El espacio fue otro obstáculo importante. Los paneles solares ocupan la mayor parte de la superficie del robot, dejando poco espacio para el hardware informático. Para solucionar esto, los investigadores rediseñaron el funcionamiento del software del robot. “Tuvimos que repensar completamente las instrucciones del programa de computadora”, explica Blau, “condensando lo que tradicionalmente sería una instrucción única y especializada para el control de la propulsión para reducir la longitud del programa para que quepa en el pequeño espacio de memoria del robot”.
Robots que detectan y comunican
En conjunto, estos avances conducen a lo que los investigadores creen que es el primer robot submilimétrico capaz de tomar decisiones reales. Hasta donde ellos saben, nadie ha puesto nunca una computadora completa, incluidos procesadores, memoria y sensores, en un robot tan pequeño. Este logro permite a los robots sentir su entorno y responder de forma independiente.
Los robots tienen sensores de temperatura electrónicos que pueden detectar cambios tan pequeños como un tercio de grado Celsius. Esta capacidad les permite moverse hacia regiones más cálidas o informar valores de temperatura que pueden servir como indicadores de la actividad celular, proporcionando una forma de monitorear células individuales.
Esta medida requiere una solución innovadora a la comunicación. “Para informar sus mediciones de temperatura, diseñamos una instrucción informática especial que codifica un valor, como la temperatura medida, en el pequeño baile que hace el robot”, dice Blau. “Luego observamos esta danza a través de un microscopio con una cámara y la decodificamos a partir de lo que nos dicen los robots. Es muy similar a cómo se comunican las abejas entre sí”.
La misma luz que alimenta a los robots también se utiliza para programarlos. Cada robot tiene una dirección única, lo que permite a los investigadores cargar diferentes instrucciones en diferentes unidades. “Esto abre muchas posibilidades”, añade Blau, “donde cada robot desempeña potencialmente un papel diferente en una tarea colectiva más amplia”.
Una plataforma para futuras máquinas microscópicas
Los robots actuales son sólo el punto de partida. Las versiones futuras pueden incluir programas más avanzados, moverse más rápido, incluir sensores adicionales u operar en entornos más hostiles. Los investigadores diseñaron el sistema como una plataforma flexible, que combina un sistema de propulsión robusto con componentes electrónicos que pueden fabricarse de forma económica y adaptarse con el tiempo.
“Este es realmente el primer capítulo”, dijo Miskin. “Hemos demostrado que se puede poner un cerebro, un sensor y un motor en algo casi demasiado pequeño para mirarlo y hacer que sobreviva y funcione durante meses. Una vez que se tiene esa base, se pueden aplicar capas de todo tipo de inteligencia y funcionalidad. Se abre la puerta a un futuro completamente nuevo para la robótica a microescala”.
La investigación se llevó a cabo en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania (Penn), la Escuela de Artes y Ciencias de Penn y el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de la Universidad de Michigan. La financiación provino de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF 2221576), la Oficina del Presidente de la Universidad de Pensilvania, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR FA9550-21-1-0313), la Oficina de Investigación del Ejército (ARO YIP W911NF-17-S-0002), la Fundación de Coordinación Nacional Packard, la Fundación de Nanotecnología y la Fundación Nacional de Ciencias. Programa de Infraestructura (NNCI-2025608), que apoya al Centro Singh de Nanotecnología con Fujitsu Semiconductor.
Otros coautores incluyen a Maya M. Lassiter, Kyle Skell, Lucas C. Hanson, Scott Schrager, William H. Reinhardt, Taruna Sivakumar y Mark Im de la Universidad de Pensilvania y Dennis Sylvester, Lee Xu y Jungho Lee de la Universidad de Michigan.
