Veertig jaar lang leek het een onoplosbare uitdaging, maar onderzoekers hebben eindelijk een volledig functionerende robot ontwikkeld die kleiner is dan een zoutkorrel – met verbazingwekkende capaciteiten.
Wetenschappers hebben een technische uitdaging opgelost die de wetenschap al veertig jaar bezighoudt. Ze hebben een robot gebouwd, uitgerust met een geïntegreerde computer, sensoren en een motor, waarvan de totale afmetingen minder dan 1 millimeter zijn – kleiner dan een zoutkorrel.
Deze prestatie, bereikt door een samenwerking van onderzoekers van de University of Pennsylvania en de University of Michigan, brengt de geneeskunde dichter bij een toekomstscenario waarin miniatuurrobots in het menselijk lichaam kunnen worden gestuurd om beschadigde zenuwen te herstellen, medicijnen naar specifieke locaties te transporteren en de gezondheidstoestand van cellen van een patiënt zonder operatie te beoordelen.
“De eerste mini-robot die kan voelen, denken en handelen”
“Het is de eerste mini-robot die kan voelen, denken en handelen,” zei Marc Miskin, assistent-professor in de elektrotechniek en systeemtechniek aan de University of Pennsylvania, en auteur van een artikel dat deze week in het vaktijdschrift Science Robotics werd gepubliceerd.
Het apparaat, dat wordt beschouwd als de kleinste robot ter wereld die zelfstandig beslissingen kan nemen, is een belangrijke stap richting een doel dat ooit in de sciencefiction verankerd was. In de jaren zestig stelde de film “Fantastic Voyage” een medisch team voor dat aan boord van een onderzeeër was geplaatst en op de grootte van een micro-organisme was gekrompen, om een onwerkbare bloedklonter te vernietigen.
“In de toekomst, laten we zeggen over 100 jaar, willen we alles wat een chirurg vandaag doet, met een robot doen,” zei David Gracias, professor aan de Johns Hopkins University en niet betrokken bij de studie. “We zijn daar nog niet klaar voor.”
Kleinste robot ter wereld is een “voorloper van een nieuwe klasse apparaten”
Woorden van hoop werden uitgesproken door Sawyer Fuller, associate professor in de werktuigbouwkunde aan de University of Washington, die opmerkte dat de prognose van de doorbraak in de microrobotica langer heeft geduurd dan verwacht. Hij noemde de nieuwe micro-robot een “voorloper van een nieuwe apparatenklasse”.
Miskin merkte op dat de micro-robot die door de teams uit Michigan en Pennsylvania werd gebouwd, ongeveer 1/100 zo groot is als de MIT Squirt, maar nog niet klaar is voor biomedisch gebruik. “Het zou me niet verbazen als we over tien jaar echte toepassingsmogelijkheden voor deze robot zouden hebben,” zei David Blaauw, medeauteur van het article in Science Robotics en professor in de elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of Michigan.
Een robot van minder dan één millimeter bouwen
Wetenschappers dromen al decennia van het bouwen van een micro-robot die minder dan 1 millimeter groot is, een grens die overeenkomt met de kleinste eenheden van onze biologie.
Hoewel wetenschappers en ingenieurs al vijftig jaar proberen om schakelingen te miniaturiseren, lag de uitdaging in het verkleinen van alle noodzakelijke onderdelen van een computergestuurde micro-robot en het samenstellen hiervan zonder de onderdelen te beschadigen of onderling interferentie te veroorzaken. De robot heeft een energiebron nodig die voldoende vermogen levert om de computer te laten draaien en de robot te laten bewegen.
Vijf jaar geleden ontmoetten Miskin, een specialist in micro-robotica, en Blaauw elkaar tijdens lezingen. Blaauw’s laboratorium had destijds – en heeft nog steeds – de onderscheiding voor het bouwen van de kleinste computer ter wereld.
Mini zonnecellen zetten licht om in energie
Het door hen gebouwde apparaat gebruikt miniatuur zonnecellen die licht omzetten in energie. Een deel van deze energie voedt de computer, terwijl een ander deel de robot aandrijft terwijl deze door een vloeistof zwemt. De computer draait met een snelheid die ongeveer duizend keer langzamer is dan die van hedendaagse laptops en heeft veel minder opslagcapaciteit. In het lab verlichtten de wetenschappers met een LED-lamp de labschale waarin de robot zich bevond.
Om de robot te beschermen tegen de effecten van vloeistoffen, wordt hij omhuld door een dikke laag glas. Het glas heeft enkele gaten die zijn gevuld met het metaal platina, wat de elektroden vormt die elektrische toegang mogelijk maken. Wetenschappers aan de Johns Hopkins University benadrukken dat het essentieel is om ervoor te zorgen dat de materialen die voor micro-robots worden gebruikt, veilig in het menselijk lichaam kunnen worden toegepast.
Communicatie met bewegingen zoals de zwembeweging van bijen
De robot communiceert met behulp van bewegingen die geïnspireerd zijn op de zwembeweging van bijen. Dit heeft geleid tot spannende en innovatieve testervaringen, waarbij studenten de robot konden volgen met een speciaal, goedkoop microscoop. “Ze waren helemaal enthousiast,” zei Miskin. “In het begin was het zeker een kleine uitdaging om te wennen aan het werken met iets zo kleins, maar dat maakt het ook zo interessant.”
De onderzoekers werken nu aan de verdere ontwikkeling van de micro-robot zodat deze in zout water, op land en in andere omgevingen kan functioneren. Het lange termijn doel is om mini computers te ontwikkelen die niet alleen met hun bedieners kunnen communiceren, maar ook met elkaar.
