Cientistas desenvolvem robôs menores que um grão de sal que possuem inteligência

Cada robô é praticamente invisível sem ampliação, medindo aproximadamente 200 por 300 por 50 micrômetros. Isso os torna menores do que um grão de sal. Como funcionam na mesma escala que muitos microorganismos vivos, os robôs podem, um dia, ajudar médicos a monitorar células individuais ou auxiliar engenheiros na montagem de pequenos dispositivos utilizados na manufatura avançada.

Movidos inteiramente por luz, os robôs contêm computadores microscópicos que lhes permitem seguir caminhos programados, detectar variações locais de temperatura e ajustar seu movimento em resposta.

O trabalho foi relatado nas publicações Science Robotics e Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Ao contrário de máquinas minúsculas anteriores, esses robôs não dependem de fios, campos magnéticos ou controles externos. Isso os torna os primeiros robôs verdadeiramente autônomos e programáveis em uma escala tão pequena.

“Nós fizemos robôs autônomos 10.000 vezes menores”, afirma Marc Miskin, professor assistente de Engenharia Elétrica e de Sistemas na Penn Engineering e autor sênior dos artigos. “Isso abre uma nova escala para robôs programáveis.”

Por que encolher robôs tem sido tão difícil

A eletrônica tem diminuído constantemente nas últimas décadas, mas a robótica não seguiu a mesma trajetória. Segundo Miskin, a independência em tamanhos abaixo de um milímetro permaneceu um desafio não resolvido. “Construir robôs que operem de forma independente em tamanhos inferiores a um milímetro é incrivelmente difícil”, diz ele. “O campo essencialmente ficou parado neste problema por 40 anos.”

Em escalas cotidianas, o movimento é moldado por forças como a gravidade e a inércia, que dependem do volume de um objeto. Em tamanhos microscópicos, no entanto, forças relacionadas à superfície dominam. O arrasto e a viscosidade se tornam esmagadores, mudando dramaticamente como o movimento funciona. “Se você é pequeno o suficiente, empurrar a água é como empurrar através de alcatrão”, diz Miskin.

Devido a essa mudança na física, designs robóticos convencionais falham. Braços ou pernas pequenas tendem a quebrar facilmente e são extremamente difíceis de fabricar. “Pernas e braços muito pequenos são fáceis de quebrar”, explica Miskin. “Eles também são muito difíceis de construir.”

Para superar essas limitações, os pesquisadores desenvolveram uma maneira completamente nova de os robôs se moverem que funciona com a física do mundo microscópico em vez de lutar contra ela.

Como os robôs microscópicos nadam

Peixes e outros nadadores maiores se movem empurrando a água para trás, gerando movimento para frente através da Terceira Lei de Newton. Os pequenos robôs adotam uma abordagem muito diferente.

Em vez de dobrar ou flexionar, os robôs geram um campo elétrico que empurra suavemente partículas carregadas no líquido circundante. À medida que esses íons se movem, eles arrastam as moléculas de água próximas com eles, efetivamente criando movimento no fluido ao redor do robô. “É como se o robô estivesse em um rio em movimento”, diz Miskin, “mas o robô também está causando o movimento do rio.”

Ao ajustar esse campo elétrico, os robôs podem mudar de direção, seguir caminhos complexos e até coordenar seu movimento em grupos que lembram escolas de peixes. Eles podem alcançar velocidades de até um comprimento corporal por segundo.

Como esse método de natação usa eletrodos sem partes móveis, os robôs são notavelmente duráveis. Segundo Miskin, eles podem ser transferidos entre amostras repetidamente com um micropipeta sem danos. Alimentados pela luz de um LED, os robôs conseguem continuar nadando por meses.

Empacotando inteligência em um corpo microscópico

A verdadeira autonomia requer mais do que movimento. Um robô também deve ser capaz de perceber seu ambiente, tomar decisões e se auto-alimentar. Todos esses componentes devem caber em um chip que é apenas uma fração de milímetro de largura. Esse desafio foi enfrentado pela equipe de David Blaauw na Universidade de Michigan.

O laboratório de Blaauw já detém o recorde por criar o menor computador do mundo. Quando Blaauw e Miskin se encontraram em uma apresentação da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) há cinco anos, perceberam rapidamente que suas tecnologias se complementavam. “Vimos que o sistema de propulsão da Penn Engineering e nossos pequenos computadores eletrônicos eram feitos um para o outro”, diz Blaauw. Mesmo assim, transformar essa ideia em um robô funcional exigiu cinco anos de desenvolvimento.

Um dos maiores obstáculos foi a energia. “O grande desafio para a eletrônica”, diz Blaauw, “é que os painéis solares são pequenos e produzem apenas 75 nanowatts de potência. Isso é mais de 100.000 vezes menos energia do que o que um smartwatch consome.” Para fazer o sistema funcionar, a equipe projetou circuitos especializados que operam em tensões extremamente baixas, reduzindo o consumo de energia em mais de 1000 vezes.

O espaço também era uma grande limitação. Os painéis solares ocupam a maior parte da superfície do robô, deixando muito pouco espaço para o hardware de computação. Para resolver isso, os pesquisadores redesenharam a forma como o software do robô funciona. “Tivemos que repensar totalmente as instruções do programa de computador”, explica Blaauw, “condensando o que convencionalmente exigiria muitas instruções para controle de propulsão em uma única instrução especial para reduzir o comprimento do programa e ajustá-lo ao pequeno espaço de memória do robô.”

Robôs que sense e comunicam

Juntas, essas inovações produziram o que os pesquisadores acreditam ser o primeiro robô submilimétrico capaz de realmente tomar decisões. Até onde sabem, ninguém havia anteriormente colocado um computador completo com processador, memória e sensores em um robô tão pequeno. Isso permite que os robôs percebam seu ambiente e respondam 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 se movam em direção a regiões mais quentes ou relatem valores de temperatura que podem servir como indicadores de atividade celular, oferecendo uma maneira de monitorar células individuais.

Comunicar essas medições exigiu uma solução inventiva. “Para relatar suas medições de temperatura, projetamos uma instrução especial de computador que codifica um valor, como a temperatura medida, nas oscilações de uma pequena dança que o robô realiza”, diz Blaauw. “Depois, observamos essa dança através de um microscópio com uma câmera e decodificamos, a partir das oscilações, o que os robôs estão nos dizendo. É muito semelhante a como as abelhas se comunicam entre si.”

A mesma luz que alimenta os robôs também é usada para programá-los. Cada robô tem um endereço único, permitindo que os pesquisadores carreguem diferentes instruções em diferentes unidades. “Isso abre uma série de possibilidades”, acrescenta Blaauw, “com cada robô potencialmente desempenhando um papel diferente em uma tarefa conjunta maior.”

Uma plataforma para futuras máquinas microscópicas

Os robôs atuais são apenas o ponto de partida. Versões futuras poderão carregar programas mais avançados, mover-se mais rapidamente, incluir sensores adicionais ou funcionar em ambientes mais rigorosos. Os pesquisadores projetaram o sistema como uma plataforma flexível, combinando um método de propulsão robusto com eletrônicos que podem ser fabricados de maneira econômica e adaptados ao longo do tempo.

“Isso é realmente apenas o primeiro capítulo”, diz Miskin. “Mostramos que é possível colocar um cérebro, um sensor e um motor em algo quase invisível e fazê-lo sobreviver e funcionar por meses. Uma vez que você tenha essa base, pode sobrepor todo tipo de inteligência e funcionalidade. Isso abre a porta para um futuro totalmente novo para a robótica em escala microscópica.”

A pesquisa foi conduzida na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia (Penn), na Escola de Artes e Ciências da Penn e no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação da Universidade de Michigan. O financiamento veio da National Science Foundation (NSF 2221576), do Escritório do Presidente da Universidade da Pensilvânia, 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 Packard Foundation, da Sloan Foundation e do Programa Nacional de Infraestrutura Coordenada em Nanotecnologia da NSF (NNCI-2025608), que apoia o Centro Singh para Nanotecnologia, junto com a Fujitsu Semiconductors.

Co-autores adicionais incluem Maya M. Lassiter, Kyle Skelil, Lucas C. Hanson, Scott Shrager, William H. Reinhardt, Tarunyaa Sivakumar e Mark Yim da Universidade da Pensilvânia, e Dennis Sylvester, Li Xu e Jungho Lee da Universidade de Michigan.