Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade de Michigan criaram os menores robôs autônomos totalmente programáveis já criados. Essas máquinas microscópicas podem flutuar através de líquidos, sentir o ambiente ao seu redor, reagir por conta própria, funcionar por meses a fio e custar cerca de um centavo cada.
Cada robô é pouco visível sem ampliação e mede aproximadamente 200 por 300 por 50 micrômetros. Isso os torna menores que um grão de sal. Como funcionam na mesma escala que muitos microrganismos vivos, os robôs poderão um dia ajudar os médicos a monitorizar células individuais ou ajudar os engenheiros a montar os minúsculos dispositivos utilizados na produção moderna.
Os robôs, que funcionam inteiramente com luz, contêm computadores microscópicos que lhes permitem seguir caminhos programados, detectar mudanças locais de temperatura e ajustar o seu movimento em resposta.
O trabalho foi relatado em Robótica científica e Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS). Ao contrário das minúsculas máquinas anteriores, estes robôs não dependem de fios, campos magnéticos ou controles externos. Isto faz deles os primeiros robôs verdadeiramente autónomos e programáveis numa escala tão pequena.
“Tornamos robôs autônomos 10.000 vezes menores”, diz Mark Miskin, professor associado de engenharia elétrica e de sistemas na Penn Engineering e autor sênior do artigo. “Isso abre uma dimensão totalmente nova para robôs programáveis.”
Por que foi tão difícil reduzir os robôs
A eletrônica ficou menor nas últimas décadas, mas a robótica não seguiu a mesma trajetória. Segundo Miskin, a independência em dimensões inferiores a um milímetro continuava sendo um problema não resolvido. “É incrivelmente difícil criar robôs que trabalhem de forma independente com dimensões inferiores a um milímetro”, diz ele. “Essencialmente, esse problema está parado há 40 anos.”
Na escala cotidiana, o movimento é moldado por forças como a gravidade e a inércia, que dependem do volume do objeto. Nas dimensões microscópicas, entretanto, as forças relacionadas à superfície dominam. A resistência e a viscosidade tornam-se extremas, mudando drasticamente a forma como o movimento funciona. “Se você for pequeno o suficiente, empurrar água é como abrir caminho no campo”, diz Miskin.
Devido a esta mudança na física, os projetos convencionais de robôs falham. Braços e pernas pequenos tendem a quebrar facilmente e são muito difíceis de fazer. “Pernas e alças muito pequenas são fáceis de quebrar”, explica Miskin. “Eles também são muito difíceis de construir.”
Para superar essas limitações, os pesquisadores desenvolveram uma forma inteiramente nova de mover robôs que trabalha com a física do mundo microscópico, em vez de combatê-la.
Como os robôs microscópicos nadam
Peixes e outros grandes nadadores movem-se empurrando a água para trás, criando movimento para frente de acordo com a terceira lei de Newton. Pequenos robôs adotam uma abordagem completamente diferente.
Em vez de dobrar ou dobrar, os robôs criam um campo elétrico que empurra suavemente as partículas carregadas no fluido circundante. À medida que esses íons se movem, eles arrastam consigo moléculas de água próximas, criando efetivamente movimento no fluido ao redor do robô. “É como se o robô estivesse em um rio corrente”, diz Miskin, “mas o robô também está fazendo o rio se mover”.
Ao ajustar esse campo elétrico, os robôs podem mudar de direção, seguir caminhos complexos e até coordenar seus movimentos em grupos que lembram cardumes de peixes. Eles podem desenvolver uma velocidade de até um comprimento de corpo por segundo.
Como esse método de natação utiliza eletrodos sem partes móveis, os robôs são extremamente duráveis. Segundo Miskin, eles podem ser transferidos repetidamente de uma amostra para outra com uma micropipeta sem danos. Alimentados por um LED, os robôs conseguem nadar durante meses.
Empacotando inteligência em um corpo microscópico
A verdadeira autonomia requer mais do que movimento. O robô também deve ser capaz de sentir seu ambiente, tomar decisões e se alimentar. Todos esses componentes devem caber em um chip com apenas frações de milímetro de diâmetro. A equipe de David Blau, da Universidade de Michigan, empreendeu esta tarefa.
O laboratório Blaauw já detém o recorde do menor computador do mundo. Quando Blau e Miskin se conheceram numa apresentação da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), há cinco anos, rapidamente perceberam que as suas tecnologias eram complementares. “Vimos que o sistema de propulsão da Penn Engineering e os nossos minúsculos computadores eletrônicos foram feitos um para o outro”, diz Blau. Mesmo assim, foram necessários cinco anos de desenvolvimento para transformar essa ideia em um robô funcional.
Um dos maiores obstáculos era o poder. “O principal desafio para a eletrônica”, diz Blau, “é que os painéis solares são minúsculos e produzem apenas 75 nanowatts de energia. Isso é mais de 100.000 vezes menos energia do que um smartwatch usa.” Para fazer o sistema funcionar, a equipe desenvolveu circuitos especializados que operam em tensões muito baixas, reduzindo o consumo de energia em mais de 1.000 vezes.
O espaço era outra grande limitação. Os painéis solares ocupam a maior parte da superfície do robô, deixando muito pouco espaço para equipamentos de computação. Para resolver este problema, os pesquisadores redesenharam o software do robô. “Tivemos que repensar completamente as instruções do programa de computador”, explica Blau, “condensando o que normalmente exigiria muitas instruções para controlar o movimento em uma instrução especial para reduzir a duração do programa para caber no minúsculo espaço de memória do robô”.
Robôs que sentem e se comunicam
Juntos, esses avanços criaram, segundo os pesquisadores, o primeiro robô submilimétrico capaz de tomar decisões reais. Até onde eles sabem, ninguém jamais colocou um computador completo com processador, memória e sensores em um robô tão pequeno. Essa conquista permite que os robôs sintam o ambiente e reajam de forma independente.
Os robôs incluem sensores eletrônicos de temperatura que podem detectar mudanças tão pequenas quanto um terço de grau Celsius. Essa capacidade permite que eles se movam em direção a regiões mais quentes ou relatem valores de temperatura que podem servir como indicadores de atividade celular, oferecendo uma forma de monitorar células individuais.
A transmissão dessas medições exigia uma solução inventiva. “Para relatar as medições de temperatura, desenvolvemos uma instrução especial de computador que codifica um valor, como a temperatura medida, em uma pequena dança que o robô executa”, diz Blau. “Observamos então esta dança através de um microscópio com uma câmera e decodificamos a partir do movimento o que os robôs estão nos dizendo. É muito semelhante à forma como as abelhas falam umas com as outras.”
A mesma luz que alimenta os robôs também é usada para programá-los. Cada robô possui um endereço único, permitindo aos pesquisadores carregar diferentes instruções em diferentes dispositivos. “Isso abre muitas possibilidades”, acrescenta Blau, “com cada robô potencialmente desempenhando papéis diferentes em uma tarefa colaborativa maior”.
Uma plataforma para as máquinas microscópicas do futuro
Os robôs atuais são apenas o ponto de partida. Versões futuras poderão ter programas mais avançados, mover-se mais rapidamente, incluir sensores adicionais ou operar em ambientes mais severos. Os pesquisadores projetaram o sistema como uma plataforma flexível que combina um método de propulsão robusto com eletrônica que pode ser produzida de forma barata e adaptada ao longo do tempo.
“Este é realmente apenas o primeiro capítulo”, diz Miskin. “Mostramos que é possível colocar um cérebro, um sensor e um motor em algo pequeno demais para ser visto e fazê-lo sobreviver e funcionar por meses. Depois de ter essa base, você pode usar todos os tipos de inteligência e funcionalidade. Isso abre a porta para um futuro totalmente novo para a robótica em microescala.”
A pesquisa foi conduzida na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia (Pensilvânia), na Escola de Artes e Ciências da Pensilvânia e no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação da Universidade de Michigan. O financiamento veio da National Science Foundation (NSF 2221576), da Universidade da Pensilvânia, do Gabinete do Presidente, do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR FA9550-21-1-0313), do Escritório de Pesquisa do Exército (ARO YIP W911NF-17-S-0002), da Fundação Packard, da Fundação Sloan e da Fundação Nacional de Coordenação de Nanotecnologia NSF. Programa de Infraestrutura (NNCI-2025608) apoiando o Centro Singh de Nanotecnologia com Fujitsu Semiconductors.
Coautores adicionais incluem Maya M. Lassiter, Kyle Skell, Lucas K. Hanson, Scott Schrager, William H. Reinhardt, Tarunya Sivakumar e Mark Yim da Universidade da Pensilvânia, e Dennis Sylvester, Li Xu e Junho Li da Universidade de Michigan.
