Crean el robot autónomo programable más pequeño del mundo

Unos robotistas han creado el robot autónomo totalmente programable más pequeño del mundo. Con un tamaño inferior al de un grano de sal y alimentado por energía solar, el robot puede procesar información, percibir su entorno y ejecutar programas. Se desplaza por un medio acuático, es capaz de funcionar durante meses y cada unidad cuesta solo un centavo de dólar.

Este nuevo y singular modelo de robot es obra de un equipo integrado, entre otros, por Marc Miskin y Maya M. Lassiter, de la Universidad de Pensilvania, y David Blaauw, de la de Michigan, ambas universidades en Estados Unidos.

Apenas visible a simple vista, cada robot mide aproximadamente 200 x 300 x 50 micrómetros.

Los robots de este modelo llevan a bordo un ordenador microscópico, gracias al cual se les puede programar para moverse siguiendo patrones complejos, detectar temperaturas locales y ajustar sus trayectorias dependiendo de características del entorno. Operan sin conexiones por cable con el exterior, y no se les controla externamente mediante joystick ni otras formas de guiado directo, lo que los convierte en los primeros robots verdaderamente autónomos y programables de este tamaño tan minúsculo.

La mota oscura en la yema de este dedo es un robot del nuevo tipo. (Foto: Marc Miskin / University of Pennsylvania. CC BY-SA)

Durante décadas, la electrónica se ha vuelto cada vez más pequeña, pero los robots han tenido dificultades para seguir ese ritmo. "Construir robots que operen de forma independiente y tengan tamaños inferiores a un milímetro es increíblemente difícil", asegura Miskin. "El campo ha estado prácticamente estancado en este problema durante 40 años".

Las fuerzas que dominan el mundo en la escala propia de nuestra vida cotidiana, como la gravedad y la inercia, ceden su protagonismo a fuerzas como la viscosidad y la resistencia al avance cuando la escala disminuye hasta la de objetos tan pequeños como esos robots. Para un vehículo lo bastante pequeño, avanzar por el agua es como para un objeto grande hacerlo por la miel.

En otras palabras, a microescala, las estrategias que permiten desplazarse a robots más grandes, como el uso de patas, rara vez tienen éxito. Las patas tan diminutas son fáciles de romper. También son muy difíciles de construir.

Por lo tanto, el equipo tuvo que diseñar un sistema de propulsión completamente nuevo, que funcionara en sintonía con la singular física de la locomoción en el ámbito microscópico.

Para nadar, los nuevos robots no flexionan sus cuerpos en absoluto. En vez de eso, generan un campo eléctrico que empuja los iones en la solución circundante. Estos iones, a su vez, empujan las moléculas de agua cercanas alrededor del cuerpo del robot. Es como si el robot estuviera en un río, aunque en este caso la corriente del agua en el río la provoca al propio robot.

Estos robots pueden ajustar el campo eléctrico que causa dicho efecto, lo que les permite moverse a voluntad siguiendo patrones complejos e incluso viajar en grupos coordinados, como un banco de peces, a velocidades de hasta la longitud de su cuerpo cada segundo.

Y como los electrodos que generan el campo no tienen partes móviles, los robots son extremadamente duraderos. “Podemos transferir repetidamente estos robots de una muestra a otra usando una micropipeta sin dañarlos”, afirma Miskin. Cargados a través de sus paneles solares por la luz de un LED, los robots pueden nadar durante meses.

Para ser verdaderamente autónomo, un robot de esta clase necesita un ordenador para procesar datos y tomar decisiones, electrónica para detectar su entorno y controlar su propulsión, así como diminutos paneles solares para suministrar la energía necesaria. Y todo esto debe caber en un chip de una fracción de milímetro. Afortunadamente, el laboratorio de Blaauw ostenta el récord del ordenador más pequeño del mundo. Su experiencia en el campo permitió al equipo diseñar un ordenador lo suficientemente pequeño como para caber en el robot y operar con una cantidad minúscula de electricidad. Los investigadores de la Universidad de Pensilvania hicieron el resto.

Los diminutos paneles solares producen solo 75 nanovatios. Eso es más de 100.000 veces menos energía que la que consume un reloj inteligente. Para que el ordenador del robot funcionara con tan poca energía, el equipo de la Universidad de Michigan desarrolló circuitos especiales que operan a voltajes extremadamente bajos y reducen el consumo de energía del ordenador en más de 1000 veces con respecto al de sistemas parecidos.

Pese a la drástica reducción de consumo energético, los paneles solares ocupan la mayor parte del cuerpo del robot. Por lo tanto, el segundo desafío fue optimizar el procesador y la memoria para almacenar un programa en el poco espacio disponible. "Tuvimos que replantear por completo las instrucciones del programa, condensando lo que convencionalmente requeriría muchas instrucciones para el control de la propulsión en una sola instrucción especial para reducir la longitud del programa y que pudiera caber en la diminuta memoria del robot", explica Blaauw.

Hasta donde saben los investigadores, nadie había incorporado un ordenador real (con procesador, memoria y sistema de entrada de datos e instrucciones) a un robot tan pequeño. Este avance convierte a estos nuevos robots en los primeros de tamaño microscópico capaces de percibir su entorno y actuar por sí mismos.

Los nuevos robots cuentan con sensores electrónicos que pueden detectar la temperatura con una precisión de un tercio de grado centígrado.

Para que los robots de esta clase puedan reportar sus mediciones de temperatura, el equipo diseñó una instrucción computacional especial que codifica un valor, como la temperatura medida, en los movimientos de un pequeño baile que realiza el robot cada vez que comunica información. Basta con observar este baile a través de un microscopio con una cámara y, a partir de los movimientos, descodificar lo que  dicen los robots. Es un método muy similar al que utilizan las abejas para comunicarse entre ellas, tal como dice Blaauw.

Los robots son programados mediante pulsos de luz que también les suministran energía. Los investigadores pueden cargar en cada robot programas diferentes a los que cargan en otros. Esto permite que cada robot pueda desempeñar una función diferente dentro de una tarea conjunta más amplia.

Las futuras versiones de estos robots podrían almacenar programas más complejos, moverse más rápido, integrar nuevos sensores y operar en entornos más difíciles.

Miskin, Lassiter, Blaauw y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nueva clase de robots en la revista académica Science Robotics, bajo el título “Microscopic Robots That Sense, Think, Act, and Compute”. (Fuente: NCYT de Amazings)