Autonoma mikroskopiska robotar.(A ) En mikroskopisk robot bredvid en myra. (B ) En inzoomad vy av roboten. Roboten är sammansatt av tre primära delar:en IC för att styra roboten, ben som låter roboten gå och PV:er för att driva både benen och kretsen. (C ) Ytterligare inzoomad bild som visar ett ben på roboten. Den består av styva paneler av SiO2 och SEAs, aktiva gångjärn som ger rörelsen. (D ) Bild av CAD-layouten för kretsen med de primära kretsblocken märkta. (E ) Optisk mikroskopbild av styrkretsen för de mikroskopiska robotarna. Skalstång, 20 μm. Kretsen har åtta utgångar som levererar fasförskjutna fyrkantvågor med en spänningsamplitud på cirka 0,6 V. Frekvensen för dessa fyrkantvågor kan ställas in genom att koppla in kretsens "frekvensval". PTAT, proportionell mot absolut temperatur. Kredit:Science Robotics (2022). DOI:10.1126/scirobotics.abq2296
Cornell University-forskare har installerat elektroniska "hjärnor" på solcellsdrivna robotar som är 100 till 250 mikrometer stora – mindre än en myras huvud – så att de kan gå självständigt utan att bli externt kontrollerade.
Medan Cornell-forskare och andra tidigare har utvecklat mikroskopiska maskiner som kan krypa, simma, gå och fälla ihop sig, var det alltid "snören" fästa; för att generera rörelse användes kablar för att tillhandahålla elektrisk ström eller laserstrålar måste fokuseras direkt på specifika platser på robotarna.
"Förut var vi bokstavligen tvungna att manipulera dessa "strängar" för att få någon form av respons från roboten, säger Itai Cohen, professor i fysik. "Men nu när vi har dessa hjärnor ombord är det som att ta strängarna från marionetten. Det är som när Pinocchio får medvetande."
Innovationen sätter scenen för en ny generation av mikroskopiska enheter som kan spåra bakterier, sniffa upp kemikalier, förstöra föroreningar, utföra mikrokirurgi och skrubba placket ur artärerna.
Projektet samlade forskare från Cohens labb, Alyosha Molnar, docent i el- och datateknik; och Paul McEuen, professor i fysik, alla medförfattare på tidningen. Huvudförfattare är postdoktorn Michael Reynolds.
Teamets uppsats, "Microscopic Robots with Onboard Digital Control", publicerades 21 september i Science Robotics .
"Hjärnan" i de nya robotarna är en komplementär metall-oxid-halvledare (CMOS) klockkrets som innehåller tusen transistorer, plus en rad dioder, motstånd och kondensatorer. Den integrerade CMOS-kretsen genererar en signal som producerar en serie fasförskjutna fyrkantvågsfrekvenser som i sin tur ställer in robotens gång. Robotbenen är platinabaserade ställdon. Både kretsen och benen drivs av solceller.
"Så småningom kommer förmågan att kommunicera ett kommando att tillåta oss att ge roboten instruktioner, och den inre hjärnan kommer att ta reda på hur man utför dem," sa Cohen. "Då har vi en konversation med roboten. Roboten kanske berättar något om sin miljö och sedan kan vi reagera med att säga 'okej, gå dit och försök ta reda på vad som händer."
De nya robotarna är ungefär 10 000 gånger mindre än robotar i makroskala som har inbyggd CMOS-elektronik, och de kan gå i hastigheter över 10 mikrometer per sekund.
Tillverkningsprocessen som Reynolds designade, i princip anpassade gjuteribyggd elektronik, har resulterat i en plattform som kan göra det möjligt för andra forskare att utrusta mikroskopiska robotar med sina egna appar – från kemiska detektorer till solcells "ögon" som hjälper robotar att navigera genom att känna av förändringar i ljuset .
"Vad detta låter dig föreställa dig är riktigt komplexa, mycket funktionella mikroskopiska robotar som har en hög grad av programmerbarhet, integrerade med inte bara ställdon utan även sensorer," sa Reynolds. "Vi är entusiastiska över tillämpningarna inom medicin - något som kan röra sig i vävnad och identifiera bra celler och döda dåliga celler - och i miljösanering, som om du hade en robot som visste hur man bryter ner föroreningar eller känner av en farlig kemikalie och bli av med det." + Utforska vidare
