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

Robotics & Automation INSIDER

Un microrobot sur un penny 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 entièrement programmables et autonomes au monde : des machines nageuses microscopiques qui peuvent indépendamment sentir et répondre à leur environnement, fonctionner pendant des mois et coûter juste un centime chacune. À peine visibles à l'œil nu, chaque robot mesure environ 200 sur 300 sur 50 micromètres, plus petit qu'un grain de sel. Opérant à l'échelle de nombreux microorganismes biologiques, les robots pourraient faire progresser la médecine en surveillant la santé de cellules individuelles et la fabrication, en aidant à construire des dispositifs à l'échelle microscopique.

Alimentés par la lumière, les robots transportent des ordinateurs microscopiques et peuvent être programmés pour se déplacer en motifs complexes, sentir les températures locales et ajuster leurs trajectoires en conséquence.

Décrits dans Science Robotics et Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), les robots fonctionnent sans tethers, 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, l'électronique est devenue de plus en plus petite, mais les robots ont eu du mal à suivre le rythme. « Construire des robots qui fonctionnent indépendamment à des tailles inférieures à un millimètre est incroyablement difficile », a dit 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. Réduisez à la taille d'une cellule, cependant, 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 à travers du goudron », a dit Miskin. En d'autres termes, à l'échelle microscopique, les stratégies qui déplacent les robots plus grands, comme les membres, réussissent rarement. « De toutes petites pattes et bras sont faciles à casser », dit Miskin. « Ils sont aussi très difficiles à construire. » Alors, l'équipe a dû concevoir un système de propulsion entièrement nouveau, qui fonctionnait avec — plutôt que contre — la physique unique de la locomotion dans le domaine microscopique.

Les grandes créatures aquatiques, comme les poissons, bougent en poussant l'eau derrière eux. 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, par contraste, ne fléchissent pas leur corps du tout. Au lieu de cela, ils génèrent un champ électrique qui pousse les ions dans la solution environnante. Ces ions, à leur tour, poussent sur les molécules d'eau voisines, animant l'eau autour du corps du robot. « C'est comme si le robot était dans une rivière en mouvement », dit Miskin, « mais le robot cause aussi la rivière à bouger. »

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

Et parce que les électrodes qui génèrent le champ n'ont pas de pièces mobiles, les robots sont extrêmement durables. « Vous pouvez transférer répétitivement ces robots d'un échantillon à l'autre à l'aide d'une micropipette sans les endommager », dit 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, d'électronique pour sentir son environnement et contrôler sa propulsion, et de minuscules panneaux solaires pour alimenter le tout, et tout cela doit tenir sur une puce qui est une fraction de millimètre de taille. C'est là que l'équipe de David Blaauw à l'Université du Michigan est intervenue.

Le laboratoire de Blaauw détient le record du plus petit ordinateur au monde. Quand 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, le duo a immédiatement réalisé que leurs technologies étaient un match parfait. « Nous avons vu que le système de propulsion de Penn Engineering et nos minuscules ordinateurs électroniques étaient faits l'un pour l'autre », a dit Blaauw. Pourtant, il a fallu cinq ans de travail acharné des deux côtés pour livrer leur premier robot fonctionnel.

« Le défi clé pour l'électronique », a dit Blaauw, « c'est que les panneaux solaires sont minuscules et ne produisent que 75 nanowatts de puissance. C'est plus de 100 000 fois moins de puissance que ce qu'une montre intelligente consomme. » Pour faire fonctionner l'ordinateur du robot avec si peu de puissance, l'équipe du Michigan a développé des circuits spéciaux qui fonctionnent à des tensions extrêmement basses et réduisent la consommation d'énergie de l'ordinateur de plus de 1000 fois.

Pourtant, les panneaux solaires occupent la majorité de l'espace sur le robot. Donc, le second défi était de fourrer le processeur et la mémoire pour stocker un programme dans le peu d'espace qui restait. « Nous avons dû totalement repenser les instructions du programme informatique », a dit Blaauw, « condensant ce qui conventionnellement nécessiterait de nombreuses instructions pour le contrôle de propulsion en une seule instruction spéciale pour réduire la longueur du programme pour qu'il tienne dans l'espace mémoire minuscule du robot. »

Ce que ces innovations ont rendu possible est le premier robot sous-millimétrique qui peut réellement penser. À la connaissance des chercheurs, personne n'a précédemment mis un vrai ordinateur — processeur, mémoire et capteurs — dans un robot aussi petit. Cette percée fait de ces dispositifs les premiers robots microscopiques qui peuvent sentir et agir par eux-mêmes.

Les robots ont des capteurs électroniques qui peuvent détecter la température à un tiers de degré Celsius près. Cela permet aux robots de se déplacer vers des zones de température croissante ou de signaler la température — un proxy pour l'activité cellulaire — leur permettant de surveiller la santé de cellules individuelles.

« Pour communiquer leurs mesures de température, nous avons conçu une instruction informatique spéciale qui encode une valeur, comme la température mesurée, dans les remuements d'une petite danse que le robot effectue », dit Blaauw. « Nous regardons ensuite cette danse à travers un microscope avec une caméra et décodons des remuements 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 de lumière qui les alimentent aussi. Chaque robot a une adresse unique qui permet aux chercheurs de charger différents programmes sur chacun d'eux. « Cela ouvre une multitude de possibilités », a ajouté Blaauw, « avec chaque robot potentiellement effectuant un rôle différent dans une tâche plus large, conjointe. »

Les futures versions des robots pourraient stocker des programmes plus complexes, bouger plus vite, intégrer de nouveaux capteurs ou opérer dans des environnements plus difficiles. En substance, le design actuel est une plateforme générale : son système de propulsion fonctionne sans heurts avec l'électronique, ses circuits peuvent être fabriqués à bas coût à grande échelle, et son design permet d'ajouter de nouvelles capacités.

« C'est vraiment juste le premier chapitre », a dit Miskin. « Nous avons montré qu'on peut mettre un cerveau, un capteur et un moteur dans quelque chose d'à peine visible, et le faire survivre et fonctionner pendant des mois. Une fois que vous avez cette fondation, vous pouvez superposer toutes sortes d'intelligence et de fonctionnalité. Cela ouvre la porte à un tout nouvel avenir pour la robotique à l'échelle microscopique. »

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