Geleceğin tıbbı başladı: Tuz tanesi boyutunda mikro robotlar geliyor!

Çıplak gözle neredeyse görülemeyen her bir robot, yaklaşık 200 x 300 x 50 mikrometre boyutlarında olup, bir tuz tanesinden daha küçüktür . Birçok biyolojik mikroorganizma ölçeğinde çalışan bu mikrorobotlar , tek tek hücrelerin sağlığını izleyerek tıpta ve mikro ölçekli cihazların yapımına yardımcı olarak üretimde değerli uygulamalara sahip olabilir .

Işıkla çalışan robotlar, içlerinde mikroskobik bilgisayarlar taşıyor ve karmaşık hareket düzenlerinde programlanabiliyor, yerel sıcaklıkları algılayabiliyor ve yörüngelerini buna göre ayarlayabiliyorlar . Bağlantıya , manyetik alanlara veya harici joystick kontrolüne ihtiyaç duymadan çalışıyorlar . Bu da onları bu ölçekteki ilk gerçek anlamda otonom, programlanabilir robotlar yapıyor.

On yıllardır elektronik cihazlar giderek küçülüyor ancak robotlar daha da küçülmeyi başaramadı .

Penn Mühendislik Fakültesi Elektrik ve Sistem Mühendisliği Bölümü'nde doçent ve makalelerin kıdemli yazarı olan Mark Miskin, "Bağımsız olarak çalışan, milimetrenin altında boyutlarda robotlar inşa etmek son derece zor," diyor. " Bu sorun üzerinde 40 yıldır takılıp kaldık ."

Yerçekimi ve atalet gibi insan dünyasına hükmeden kuvvetler hacme bağlıdır. Ancak, bir şey hücre boyutuna küçültülürse, sürtünme ve viskozite gibi yüzeyle ilgili kuvvetler devreye girer .

Bu nedenle ekip, mikroskobik dünyadaki hareketin eşsiz fiziğine uygun –ve ona karşı değil– çalışacak tamamen yeni bir itme sistemi tasarlamaya koyuldu .

Balık gibi büyük su canlıları , arkalarındaki suyu iterek hareket ederler. Newton'un üçüncü yasası sayesinde, su balığa eşit ve zıt bir kuvvet uygulayarak onu ileri doğru iter.

Yeni robotlar ise bunun aksine, vücutlarını hiç bükmüyorlar. Bunun yerine, çevredeki çözeltiye iyonları iten bir elektrik alanı oluşturuyorlar . Bu iyonlar da yakındaki su moleküllerini iterek robotun gövdesinin etrafındaki suyu canlandırıyor.

Miskin, " Bu, robotun hareketli bir nehirde olması gibi," diyor, "ama robot aynı zamanda nehrin hareket etmesini de sağlıyor."

Ve alanı oluşturan elektrotların hareketli parçaları olmadığı için robotlar son derece dayanıklıdır. Miskin, "Bu robotları mikropipet kullanarak bir örnekten diğerine defalarca aktarabilirsiniz ve onlara zarar vermezsiniz" diyor. Bir LED ışığıyla çalışan robotlar aylarca yüzmeye devam edebilir.

Gerçekten otonom olabilmesi için, böyle bir robotun karar vermek için bir bilgisayara ve çevresini algılayıp hareketini kontrol etmek için elektronik devrelere ihtiyacı var. Ayrıca her şeyi çalıştırmak için küçük güneş panellerine sahip olmak da güzel olurdu . Ve tüm bu makinelerin milimetrenin çok küçük bir bölümü büyüklüğünde bir çipe sığması gerekiyor. İşte tam bu noktada Michigan Üniversitesinden David Blauv'un ekibi imdada yetişti.

Blauw'un laboratuvarı, dünyanın en küçük bilgisayarı rekorunu elinde tutuyor. Miskin ve Blauw, beş yıl önce Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) tarafından düzenlenen bir sunumda ilk kez tanıştıklarında, teknolojilerinin mükemmel bir uyum içinde olduğunu hemen fark ettiler .

Blau, " Penn Engineering'in itme sistemi ile küçük elektronik bilgisayarlarımızın birbirleri için yaratılmış olduğunu gördük," diyor. Ancak ilk çalışan robotu yaratmak için her iki tarafın da beş yıl süren yoğun çalışması gerekti.

Blau, “ Elektronik cihazlar için en büyük zorluk, güneş panellerinin küçük olması ve yalnızca 75 nanonewton enerji üretmesidir. Bu, bir akıllı saatin tükettiği enerjiden 100.000 kat daha azdır” diyor.

Robotun bilgisayarını bu kadar az enerjiyle çalıştırmak için Michigan ekibi , son derece düşük voltajlarda çalışan ve bilgisayarın güç tüketimini 1.000 kattan fazla azaltan özel devreler geliştirdi .

Bir sonraki zorluk , kalan azıcık alana bir işlemci ve bellek yerleştirerek programı depolamaktı .

Blauw, "Bilgisayar programı talimatlarını tamamen yeniden düşünmek zorunda kaldık," diyor, "geleneksel olarak birçok sürüş kontrol talimatı gerektiren şeyi, program uzunluğunu robotun küçük bellek alanına sığacak şekilde kısaltmak için tek bir özel talimata yoğunlaştırdık."

Tüm bu yenilikleri mümkün kılan şey , gerçekten düşünebilen ilk milimetre altı boyutlu robottur. Araştırmacıların bildiği kadarıyla, daha önce hiç kimse bu kadar küçük bir robota gerçek bir bilgisayar (işlemci, bellek ve sensörler) entegre etmemişti. Bu atılım, bu cihazları bağımsız olarak algılayabilen ve hareket edebilen ilk mikroskobik robotlar haline getiriyor.

Robotlar, sıcaklığı üçte bir derece hassasiyetle ölçebilen elektronik sensörlere sahip . Bu sayede, sıcaklığın yükseldiği bölgelere hareket edebiliyorlar veya hücresel aktivitenin bir göstergesi olan sıcaklığı rapor ederek, tek tek hücrelerin sağlığını izleyebiliyorlar.

Blauv, " Sıcaklık ölçümlerini bildirmek için , ölçülen sıcaklık gibi bir değeri robotun gerçekleştirdiği küçük bir dansın hareketlerine kodlayan özel bir bilgisayar komutu geliştirdik," diyor.

"Daha sonra bu dansı bir kamera bulunan bir mikroskop altında inceliyoruz ve robotların bize ne anlatmaya çalıştığını hareketlerden çözüyoruz. Bu, bal arılarının birbirleriyle iletişim kurma biçimine çok benziyor ," diye ekliyor.

Robotlar, aynı zamanda güç kaynağı olan ışık darbeleriyle programlanıyor. Her robotun benzersiz bir adresi var, bu da araştırmacıların her robota farklı programlar yüklemesine olanak tanıyor. Blauw, "Bu, çok sayıda olasılığın önünü açıyor," diye ekliyor, "her robot daha büyük, işbirlikçi bir görevde farklı bir rol üstlenebilir."

Miskin, “ Bu aslında sadece ilk bölüm. Gözle görülemeyecek kadar küçük bir şeye beyin, sensör ve motor yerleştirip, aylarca hayatta kalmasını ve işlev görmesini sağlayabileceğimizi gösterdik. Bu temeli oluşturduktan sonra, her türlü zekayı ve işlevselliği ekleyebilirsiniz. Bu, mikro ölçekli robotik için yepyeni bir geleceğin kapısını açıyor.”