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– Investigadores de Cornell y la Universidad de Pensilvania han construido robots microscópicos que consisten en un circuito simple hecho de silicio fotovoltaico, esencialmente el tronco y el cerebro, y cuatro actuadores electroquímicos que funcionan como piernas. Cuando la luz láser incide en la energía fotovoltaica, los robots caminan.
Cortesía de la Universidad de Cornell por David Nutt: una colaboración liderada por Cornell creó los primeros robots microscópicos que incorporan componentes semiconductores, lo que les permite ser controlados, y hechos para caminar, con señales electrónicas estándar.
Estos robots, del tamaño de un paramecio, proporcionan un modelo para construir versiones aún más complejas que utilizan inteligencia basada en silicio, pueden producirse en masa y algún día pueden viajar a través de la sangre y el tejido humano.
La colaboración está dirigida por Itai Cohen, el profesor de física Paul McEuen, el profesor John A. Newman de Ciencias Físicas, ambos en la Facultad de Artes y Ciencias, y su ex investigador postdoctoral Marc Miskin, quien ahora es profesor asistente en Universidad de Pennsylvania.
El artículo del equipo, “Robots microscópicos integrados electrónicamente, fabricados en masa”, publicado el 26 de agosto en Nature.
Los robots andantes son la última versión y, en muchos sentidos, una evolución de las creaciones a nanoescala anteriores de Cohen y McEuen, desde sensores microscópicos hasta máquinas de origami basadas en grafeno.
Los nuevos robots tienen un grosor de aproximadamente 5 micrones (un micrón es una millonésima de metro), 40 micrones de ancho y un rango de 40 a 70 micrones de longitud. Cada bot consta de un circuito simple hecho de silicio fotovoltaico, que esencialmente funciona como tronco y cerebro, y cuatro actuadores electroquímicos que funcionan como piernas.
Por muy básico que parezcan las máquinas pequeñas, crear piernas fue una gran hazaña.
«En el contexto de los cerebros del robot, existe la sensación de que solo estamos tomando la tecnología de semiconductores existente y haciéndola pequeña y liberable», dijo McEuen, copresidente del Grupo de trabajo de ciencia e ingeniería de microsistemas a nanoescala ( NEXT Nano), parte de la iniciativa Dean’s Radical Collaboration y dirige el Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala.
«Pero las piernas no existían antes», dijo McEuen. “No había actuadores pequeños activados eléctricamente que pudieras usar. Entonces, tuvimos que inventarlos y luego combinarlos con la electrónica. «
Utilizando la deposición de capas atómicas y la litografía, el equipo construyó las patas de tiras de platino de solo unas pocas docenas de átomos de espesor, cubiertas en un lado por una fina capa de titanio inerte. Cuando se aplica una carga eléctrica positiva al platino, los iones cargados negativamente se adsorben en la superficie expuesta de la solución circundante para neutralizar la carga. Estos iones fuerzan al platino expuesto a expandirse, haciendo que la tira se doble. Las tiras ultrafinas permiten que el material se doble bruscamente sin romperse. Para ayudar a controlar el movimiento 3D de la extremidad, los investigadores modelaron paneles de polímero rígido en la parte superior de las tiras. Los espacios entre los paneles funcionan como una rodilla o un tobillo, permitiendo que las piernas se doblen de forma controlada y generen así movimiento.
Los investigadores controlan los robots emitiendo pulsos de láser en diferentes sistemas fotovoltaicos, cada uno con un juego de patas separado. Al cambiar el láser de un lado a otro entre los fotovoltaicos delanteros y traseros, el robot camina.
“Aunque estos robots son primitivos en sus funciones, no son muy rápidos, no tienen mucha potencia informática, las innovaciones que hemos realizado para hacerlos compatibles con la fabricación de microchips estándar abren la puerta para hacer que estos robots microscópicos sean inteligentes, rápidos y productivo en masa ”, dijo Cohen. «Este es realmente solo el primer disparo a través del arco que, oye, podemos hacer la integración electrónica en un pequeño robot».
Los robots son ciertamente de alta tecnología, pero operan a bajo voltaje (200 milivoltios) y baja potencia (10 nanovatios), y siguen siendo fuertes y robustos para su tamaño. Debido a que se fabrican mediante procesos litográficos estándar, se pueden fabricar en paralelo: aproximadamente 1 millón de bots caben en una oblea de silicio de 4 pulgadas.
Los investigadores están explorando formas de equipar a los robots con electrónica más complicada e informática integrada, mejoras que algún día pueden resultar en enjambres de robots microscópicos que se arrastran y reestructuran materiales, o suturan vasos sanguíneos, o se envían en masa para sondear grandes áreas del cerebro. humano.
«Controlar un pequeño robot es quizás lo más cerca que puede llegar a encogerse. Creo que máquinas como estas nos llevarán a todo tipo de mundos increíbles que son demasiado pequeños para ser vistos ”, dijo Miskin, autor principal del estudio.
Los coautores incluyen a David Muller, profesor de ingeniería Samuel B. Eckert; Alejandro Cortese, Ph.D. ’19, becario posdoctoral presidencial de Cornell; investigador postdoctoral Qingkun Liu; los estudiantes de doctorado Michael Cao ’14, Kyle Dorsey y Michael Reynolds; y Edward Esposito, un ex empleado de la universidad y técnico de laboratorio de Cohen.
«Este avance en la investigación ofrece una emocionante oportunidad científica para investigar nuevos temas relevantes para la física de la materia activa y podría conducir a materiales robóticos futuristas», dijo Sam Stanton, gerente de programa de la Oficina de Investigación del Ejército, miembro del Comando del Ejército. Laboratorio de Investigación de Desarrollo de Capacidades de Combate, que apoyó la investigación.
La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el Centro de Investigación de Materiales de Cornell, que cuenta con el apoyo del programa Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencia, y el Instituto Kavli de Cornell para la Ciencia a Nanoescala, brindaron apoyo adicional. El trabajo se llevó a cabo en las instalaciones de ciencia y tecnología de Cornell NanoScale
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