Les plus petits microrobots autonomes au monde :des nageurs de 200 µm qui fonctionnent pendant des mois

Robotique et automatisation INSIDER

Un microrobot sur un sou américain, montrant l'échelle. (Image :Michael Simari, Université du Michigan)

Des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie et de l’Université du Michigan ont créé les plus petits robots autonomes entièrement programmables au monde :des machines nageuses microscopiques capables de détecter et de réagir indépendamment à leur environnement, de fonctionner pendant des mois et de ne coûter qu’un centime chacune. À peine visible à l’œil nu, chaque robot mesure environ 200 x 300 x 50 micromètres, soit plus petit qu’un grain de sel. Fonctionnant à l'échelle de nombreux micro-organismes biologiques, les robots pourraient faire progresser la médecine en surveillant la santé des cellules individuelles et en contribuant à la fabrication de dispositifs à micro-échelle.

Alimentés par la lumière, les robots portent des ordinateurs microscopiques et peuvent être programmés pour se déplacer selon des schémas complexes, détecter les températures locales et ajuster leur trajectoire en conséquence.

Décrit dans Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , les robots fonctionnent sans attaches, champs magnétiques ou contrôle de type joystick depuis l'extérieur, ce qui en fait les premiers robots véritablement autonomes et programmables à cette échelle.

Pendant des décennies, les appareils électroniques sont devenus de plus en plus petits, mais les robots ont eu du mal à suivre le rythme. "Construire des robots qui fonctionnent de manière indépendante à des tailles inférieures à un millimètre est incroyablement difficile", a déclaré Miskin. "Le domaine est essentiellement bloqué sur ce problème depuis 40 ans."

Les forces qui dominent le monde humain, comme la gravité et l'inertie, dépendent du volume. Cependant, réduisez à la taille d'une cellule et les forces liées à la surface, comme la traînée et la viscosité, prennent le dessus. "Si vous êtes assez petit, pousser sur l'eau, c'est comme pousser dans le goudron", a déclaré Miskin. En d’autres termes, à l’échelle microscopique, les stratégies visant à déplacer des robots plus gros, comme des membres, réussissent rarement. « Les très petites jambes et bras sont faciles à casser », explique Miskin. "Ils sont également très difficiles à construire." L'équipe a donc dû concevoir un système de propulsion entièrement nouveau, fonctionnant avec (plutôt que contre) la physique unique de la locomotion dans le domaine microscopique.

Les grandes créatures aquatiques, comme les poissons, se déplacent en poussant l'eau derrière elles. Grâce à la troisième loi de Newton, l’eau exerce une force égale et opposée sur le poisson, le propulsant vers l’avant. Les nouveaux robots, en revanche, ne fléchissent pas du tout leur corps. Au contraire, ils génèrent un champ électrique qui pousse les ions dans la solution environnante. Ces ions, à leur tour, poussent les molécules d’eau à proximité, animant l’eau autour du corps du robot. "C'est comme si le robot se trouvait dans une rivière en mouvement", explique Miskin, "mais le robot fait également bouger la rivière."

Les robots peuvent ajuster le champ électrique qui provoque l'effet, leur permettant de se déplacer selon des schémas complexes et même de se déplacer en groupes coordonnés, un peu comme un banc de poissons, à des vitesses allant jusqu'à une longueur de corps par seconde.

Et comme les électrodes qui génèrent le champ ne comportent aucune pièce mobile, les robots sont extrêmement durables. "Vous pouvez transférer ces robots à plusieurs reprises d'un échantillon à un autre à l'aide d'une micropipette sans les endommager", explique Miskin. Chargés par la lueur d'une LED, les robots peuvent continuer à nager pendant des mois.

Pour être véritablement autonome, un robot a besoin d’un ordinateur pour prendre des décisions, de composants électroniques pour détecter son environnement et contrôler sa propulsion, et de minuscules panneaux solaires pour tout alimenter, et tout cela doit tenir sur une puce d’une fraction de millimètre. C’est là qu’est entrée en action l’équipe de David Blaauw de l’Université du Michigan.

Le laboratoire de Blaauw détient le record du plus petit ordinateur du monde. Lorsque Miskin et Blaauw se sont rencontrés pour la première fois lors d'une présentation organisée par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) il y a cinq ans, les deux hommes ont immédiatement réalisé que leurs technologies correspondaient parfaitement. "Nous avons vu que le système de propulsion de Penn Engineering et nos minuscules ordinateurs électroniques étaient faits l'un pour l'autre", a déclaré Blaauw. Pourtant, il a fallu cinq ans de travail acharné de part et d'autre pour livrer leur premier robot fonctionnel.

"Le principal défi pour l'électronique", a déclaré Blaauw, "est que les panneaux solaires sont minuscules et ne produisent que 75 nanowatts d'énergie. C'est plus de 100 000 fois moins d'énergie que ce qu'une montre intelligente consomme." Pour faire fonctionner l'ordinateur du robot avec si peu d'énergie, l'équipe du Michigan a développé des circuits spéciaux qui fonctionnent à des tensions extrêmement basses et réduisent la consommation électrique de l'ordinateur de plus de 1 000 fois.

Pourtant, les panneaux solaires occupent la majorité de l’espace sur le robot. Le deuxième défi consistait donc à entasser le processeur et la mémoire pour stocker un programme dans le peu d'espace qui restait. "Nous avons dû repenser totalement les instructions du programme informatique", a déclaré Blaauw, "en condensant ce qui nécessiterait classiquement de nombreuses instructions pour le contrôle de la propulsion en une seule instruction spéciale afin de réduire la longueur du programme pour l'adapter au minuscule espace mémoire du robot."

Ces innovations ont rendu possible le premier robot submillimétrique capable de réellement penser. À la connaissance des chercheurs, personne n’a encore installé un véritable ordinateur (processeur, mémoire et capteurs) dans un robot aussi petit. Cette avancée fait de ces appareils les premiers robots microscopiques capables de détecter et d'agir par eux-mêmes.

Les robots disposent de capteurs électroniques capables de détecter la température à un tiers de degré Celsius près. Cela permet aux robots de se déplacer vers des zones où la température augmente ou de signaler la température (un indicateur de l'activité cellulaire), ce qui leur permet de surveiller la santé de cellules individuelles.

"Pour rapporter leurs mesures de température, nous avons conçu une instruction informatique spéciale qui code une valeur, telle que la température mesurée, dans les mouvements d'une petite danse exécutée par le robot", explique Blaauw. "Nous regardons ensuite cette danse à travers un microscope équipé d'une caméra et décodons à partir des mouvements ce que les robots nous disent. C'est très similaire à la façon dont les abeilles communiquent entre elles."

Les robots sont programmés par des impulsions lumineuses qui les alimentent également. Chaque robot possède une adresse unique qui permet aux chercheurs de charger différents programmes sur chacun d'eux. "Cela ouvre une multitude de possibilités", a ajouté Blaauw, "chaque robot jouant potentiellement un rôle différent dans une tâche commune plus vaste."

Les futures versions des robots pourraient stocker des programmes plus complexes, se déplacer plus rapidement, intégrer de nouveaux capteurs ou fonctionner dans des environnements plus difficiles. Essentiellement, la conception actuelle est une plate-forme générale :son système de propulsion fonctionne de manière transparente avec l'électronique, ses circuits peuvent être fabriqués à grande échelle à moindre coût et sa conception permet d'ajouter de nouvelles capacités.

"Ce n'est en réalité que le premier chapitre", a déclaré Miskin. "Nous avons montré que vous pouvez intégrer un cerveau, un capteur et un moteur dans quelque chose de presque trop petit pour être vu, et le faire survivre et fonctionner pendant des mois. Une fois que vous avez cette base, vous pouvez superposer toutes sortes d'intelligence et de fonctionnalités. Cela ouvre la porte à un tout nouvel avenir pour la robotique à l'échelle micrométrique. "

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