Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en de Universiteit van Michigan hebben een belangrijke mijlpaal bereikt op het gebied van robotica: het creëren van volledig autonome, op zonne-energie werkende robots die slechts één cent kosten om te produceren. Deze machines, kleiner dan een korreltje zout, overwinnen tientallen jaren oude uitdagingen op het gebied van microrobotica door gebruik te maken van elektrische voortstuwing en nieuwe circuitontwerpen. De ontwikkeling opent deuren voor vooruitgang op het gebied van nanotechnologie, medisch onderzoek en daarbuiten.
De decennialange uitdaging van microrobotica
Al veertig jaar worstelt het roboticaveld met het bouwen van onafhankelijke robots op submillimeterschalen. Het probleem is niet alleen miniaturisatie; het is natuurkunde. Naarmate objecten kleiner worden, wordt de traagheid minder dominant, terwijl oppervlakte-effecten zoals viscositeit en weerstand de overhand krijgen. Dit betekent dat traditionele locomotiefontwerpen, zoals benen of armen, op microniveau onpraktisch worden; het bewegen door vloeistoffen op deze schaal lijkt op het doordringen van teer. De oplossing van het team omzeilt de noodzaak van mechanische ledematen volledig en vertrouwt in plaats daarvan op elektrische velden om de robots aan te drijven.
Hoe ze werken: elektriciteit, ionen en water
Elke robot, die ongeveer 200 x 300 x 50 micrometer meet, zet energie van kleine zonnepanelen om in een elektrisch veld wanneer hij in een oplossing wordt ondergedompeld. Dit veld duwt nabijgelegen ionen voort, die vervolgens de omringende watermoleculen verdringen, waardoor beweging ontstaat. De robots zijn niet beperkt tot eenvoudige voorwaartse of achterwaartse bewegingen; door het elektrische veld aan te passen, kunnen ze individueel of in gecoördineerde patronen bewegen, waarbij ze het gedrag van een school vissen nabootsen. De onderzoekers verklaren dit doordat de robot zowel in een bewegende rivier is als ervoor zorgt dat de rivier in beweging komt.
Stroombeperkingen overwinnen: radicaal circuitontwerp
Miniaturisatie vormt nog een hindernis: de beperkte ruimte voor stroombronnen, geheugen en schakelingen. De robots werken op slechts 75 nanowatt, ruim 100.000 keer minder dan een smartwatch verbruikt. Om dit aan te pakken hebben ingenieurs van de Universiteit van Michigan geheel nieuwe circuitontwerpen ontwikkeld die op lage spanningen werken, waardoor de stroombehoefte van de robot met meer dan 1.000 keer wordt verminderd. De zonnepanelen nemen het grootste deel van het oppervlak van de robot in beslag, dus het team moest de programmeerinstructies radicaal condenseren.
Communicatie door beweging: de “Wiggle Dance”
De microrobots bevatten sensoren die de temperatuur met hoge nauwkeurigheid (binnen een derde van een graad Celsius) kunnen detecteren. Om hun bevindingen te rapporteren gebruiken ze een unieke communicatiemethode geïnspireerd op honingbijen. Ze coderen gegevens in een ‘wiebeldans’ – een specifiek bewegingspatroon dat onderzoekers kunnen decoderen met behulp van een microscoop en camera. Hierdoor kunnen de robots informatie verzenden zonder dat hiervoor complexe draadloze systemen nodig zijn.
Toekomstige implicaties
De huidige robots kunnen al temperatuurveranderingen waarnemen, waardoor ze mogelijk bruikbaar zijn voor het volgen van cellulaire activiteit en het beoordelen van de celgezondheid. Maar de basis is nu gelegd voor nog geavanceerdere mogelijkheden. Met verdere verfijning zouden deze micro-robots extra sensoren kunnen inbouwen en door steeds complexere omgevingen kunnen navigeren, wat mogelijkheden opent voor gerichte medicijnafgifte, omgevingsmonitoring of zelfs precisieproductie.
“We hebben laten zien dat je een brein, een sensor en een motor in iets kunt stoppen dat bijna te klein is om te zien, en dat je het maandenlang kunt laten overleven en werken”, zegt Marc Miskin, hoofdingenieur aan de Universiteit van Pennsylvania. Deze doorbraak lost niet alleen een al lang bestaand roboticaprobleem op, maar opent ook een nieuw tijdperk van mogelijkheden voor ultrakleine autonome machines.
