22/09/2022
Door Ad Spijkers
Onderzoekers aan Cornell University hebben 'elektronische hersenen' ontwikkeld die zijn geïnstalleerd op microrobots zodat ze autonoom kunnen lopen.
Onderzoekers aan Cornell University in Ithaca (bij New York) en andere instituten hebben al eerder microscopische machines ontwikkeld die kunnen kruipen, zwemmen, lopen en zichzelf opvouwen. Maar altijd waren ze gekoppeld: om beweging te genereren, werden draadjes gebruikt om elektrische stroom te leveren of moesten laserstralen direct op specifieke locaties op de robots worden gericht.
Vroeger moesten onderzoekers deze draadjes' letterlijk manipuleren om enige reactie van de robot te krijgen. Maar nu ze hersenen aan boord hebben, is het alsof ze de touwtjes van de marionet halen. De innovatie kan leiden tot een nieuwe generatie microscopische apparaten die bacteriën kunnen volgen, chemicaliën kunnen opsporen, verontreinigende stoffen kunnen vernietigen, microchirurgie kunnen uitvoeren en aanslag uit slagaders kunnen verwijderen.
CMOS brein
Het 'brein' in de nieuwe robots is een complementair metaaloxide-halfgeleider (CMOS) klokcircuit dat duizend transistors bevat, plus een reeks diodes, weerstanden en condensatoren. Het IC genereert een signaal dat een reeks in fase verschoven blokgolffrequenties produceert die op hun beurt de gang van de robot bepalen. De robotbenen zijn op platina gebaseerde actuatoren. Zowel het circuit als de poten worden aangedreven door fotovoltaïsche cellen.
Het klokcircuit is geen grote sprong voorwaarts in het vermogen van circuits. Maar de elektronica moest zodanig worden ontworpen dat deze een laag vermogen heeft, zodat geen grote fotovoltaïsche cellen nodig zijn om het circuit van stroom te voorzien. De voltooide circuits zijn geproduceerd op 8" silicium-op-isolatorwafels. Het proces is ontwikkeld met behulp van dertien lagen fotolithografie om de hersenen los te etsen in een waterige oplossing en de actuatoren te modelleren om de 'benen' te maken.
Actuatoren
De actuatoren op microschaal kunnen worden bestuurd door lage spanningen en stromen. Volgens de onderzoekers is dit de eerste keer dat alle handelingen rechtstreeks in een CMOS-proces zijn te integreren en alle poten rechtstreeks door één circuit zijn te besturen.
Het team wetenschappers creëerde drie microrobots om de CMOS-integratie te demonstreren:
- een tweebenige Purcell-bot. Natuurkundige Edward Purcell stelde een vergelijkbaar eenvoudig model voor om de zwembewegingen van micro-organismen te verklaren
- een gecompliceerdere zesbenige mierenbot, die loopt met een afwisselende driepootgang, zoals die van een insect
- een vierpotige dogbot die de snelheid waarmee hij loopt kan variëren dankzij een aangepast circuit dat commando's ontvangt via laserpulsen.
Uiteindelijk zal het vermogen om een commando te communiceren wetenschappers in staat stellen om de robot instructies te geven. Het interne brein zal uitzoeken hoe de robot deze moeten uitvoeren. De robot kan iets vertellen over zijn omgeving, en dan kunnen onderzoekers reageren door hem te instrueren er heen te gaan en uit te zoeken wat er aan de hand is.
Gebruik
De nieuwe robots zijn ongeveer 10.000 keer kleiner dan robots op macroschaal met ingebouwde CMOS-elektronica. Ze kunnen lopen met snelheden van meer dan 10 µm/s. Het zijn complexe functionele microscopische robots met een hoge mate van programmeerbaarheid, geïntegreerd met actuatoren en sensoren.
De onderzoekers voorzien toepassingen in de geneeskunde: iets dat in weefsel kan bewegen, goede cellen kan identificeren en slechte cellen kan doden. Ook verwachten ze toepassing in milieusanering om verontreinigende stoffen af te breken of een gevaarlijke chemische stof te detecteren.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Cornell University