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– Pesquisadores de Cornell e da Universidade da Pensilvânia construíram robôs microscópicos que consistem em um circuito simples feito de silício fotovoltaico – essencialmente o tronco e o cérebro – e quatro atuadores eletroquímicos que funcionam como pernas. Quando a luz do laser incide sobre a energia fotovoltaica, os robôs caminham.
Courtesy Cornell University by David Nutt: Uma colaboração liderada por Cornell criou os primeiros robôs microscópicos que incorporam componentes semicondutores, permitindo que sejam controlados – e feitos andar – com sinais eletrônicos padrão.
Esses robôs, aproximadamente do tamanho de um paramécio, fornecem um modelo para a construção de versões ainda mais complexas que utilizam inteligência baseada em silício, podem ser produzidos em massa e podem um dia viajar através de sangue e tecido humano.
A colaboração é liderada por Itai Cohen , professor de física Paul McEuen , o professor John A. Newman de Ciências Físicas – ambos na Faculdade de Artes e Ciências – e seu ex-pesquisador de pós-doutorado Marc Miskin, que agora é professor assistente na Universidade da Pensilvânia.
O artigo da equipe, “ Electronically Integrated, Mass-Manufactured, Microscopic Robots ,” publicado em 26 de agosto na Nature.
Os robôs ambulantes são a última iteração e, em muitos aspectos, uma evolução das criações em nanoescala anteriores de Cohen e McEuen, de sensores microscópicos a máquinas de origami baseadas em grafeno .
Os novos robôs têm cerca de 5 mícrons de espessura (um mícron é um milionésimo de um metro), 40 mícrons de largura e variam de 40 a 70 mícrons de comprimento. Cada bot consiste em um circuito simples feito de fotovoltaico de silício – que funciona essencialmente como o tronco e o cérebro – e quatro atuadores eletroquímicos que funcionam como pernas.
Por mais básicas que as pequenas máquinas possam parecer, criar as pernas foi uma façanha enorme.
“No contexto dos cérebros do robô, há uma sensação de que estamos apenas pegando a tecnologia de semicondutores existente e tornando-a pequena e liberável”, disse McEuen, que co-preside a Força-Tarefa de Ciência e Engenharia de Microssistemas em Nanoescala (NEXT Nano), parte da iniciativa Radical Collaboration do reitor e dirige o Kavli Institute em Cornell for Nanoscale Science .
“Mas as pernas não existiam antes”, disse McEuen. “Não havia pequenos atuadores eletricamente ativáveis que você pudesse usar. Então, tivemos que inventar e depois combiná-los com a eletrônica. ”
Usando deposição de camadas atômicas e litografia, a equipe construiu as pernas de tiras de platina com apenas algumas dezenas de átomos de espessura, cobertas de um lado por uma fina camada de titânio inerte. Ao aplicar uma carga elétrica positiva à platina, os íons carregados negativamente se adsorvem na superfície exposta da solução circundante para neutralizar a carga. Esses íons forçam a platina exposta a se expandir, fazendo a tira dobrar. A ultrafina das tiras permite que o material dobre acentuadamente sem quebrar. Para ajudar a controlar o movimento 3D do membro, os pesquisadores modelaram painéis de polímero rígido no topo das tiras. Os espaços entre os painéis funcionam como um joelho ou tornozelo, permitindo que as pernas se dobrem de maneira controlada e, assim, gerem movimento.
Os pesquisadores controlam os robôs emitindo pulsos de laser em diferentes sistemas fotovoltaicos, cada um deles carregando um conjunto separado de pernas. Ao alternar o laser para frente e para trás entre a fotovoltaica frontal e traseira, o robô caminha.
“Embora esses robôs sejam primitivos em suas funções – eles não são muito rápidos, eles não têm muita capacidade computacional – as inovações que fizemos para torná-los compatíveis com a fabricação de microchip padrão abrem a porta para tornar esses robôs microscópicos inteligentes , rápido e produtivo em massa ”, disse Cohen. “Este é realmente apenas o primeiro tiro através da proa que, ei, podemos fazer integração eletrônica em um pequeno robô.”
Os robôs são certamente de alta tecnologia, mas operam com baixa voltagem (200 milivolts) e baixa potência (10 nanowatts), e permanecem fortes e robustos para seu tamanho. Por serem feitos com processos litográficos padrão, eles podem ser fabricados em paralelo: cerca de 1 milhão de bots cabem em um wafer de silício de 4 polegadas.
Os pesquisadores estão explorando maneiras de equipar os robôs com eletrônicos mais complicados e computação integrada – melhorias que podem um dia resultar em enxames de robôs microscópicos rastejando e reestruturando materiais, ou suturando vasos sanguíneos, ou sendo enviados em massa para sondar grandes áreas de O cérebro humano.
“Controlar um pequeno robô é talvez o mais próximo que você pode chegar a encolher-se. Acho que máquinas como essas vão nos levar a todos os tipos de mundos incríveis que são pequenos demais para serem vistos ”, disse Miskin, o principal autor do estudo.
Os co-autores incluem David Muller , o Samuel B. Eckert Professor de Engenharia; Alejandro Cortese, Ph.D. ’19, um Cornell Presidential Postdoctoral Fellow; pesquisador de pós-doutorado Qingkun Liu; estudantes de doutorado Michael Cao ’14, Kyle Dorsey e Michael Reynolds; e Edward Esposito, ex-funcionário da universidade e técnico do laboratório de Cohen.
“Este avanço na pesquisa oferece uma oportunidade científica empolgante para investigar novas questões relevantes para a física da matéria ativa e pode levar a materiais robóticos futuristas”, disse Sam Stanton, gerente de programa do Gabinete de Pesquisa do Exército, um elemento do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate Laboratório de Pesquisa, que deu suporte à pesquisa.
Apoio adicional foi fornecido pelo Office of Scientific Research da Força Aérea, o Cornell Center for Materials Research , que é apoiado pelo programa Materials Research Science and Engineering Center da National Science Foundation, e pelo Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science. O trabalho foi realizado no Cornell NanoScale Science and Technology Facility
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