Durante décadas, la electrónica se hizo más pequeña de forma casi imparable: de los transistores de centímetros de los años 50 a los de apenas unos nanómetros de hoy. Los robots, en cambio, se resistían a encogerse. Meter un motor, un sensor, una fuente de energía y un procesador en algo menor de un milímetro era, hasta hace muy poco, un problema sin solución práctica. Marc Miskin, de la Universidad de Pennsylvania, y sus colegas de la Universidad de Michigan acaban de resolverlo.
Los dos papers publicados simultáneamente en Science Robotics y en PNAS describen un robot de 200 × 300 × 50 micrómetros, menor que un grano de sal, que puede nadar de forma autónoma en líquido durante meses sin cables, sin campos magnéticos externos y sin un operador humano controlándolo en tiempo real. Es, según los autores, el primer robot verdaderamente autónomo y programable a esta escala.
Cómo nada sin hélices ni aletas: electro-ósmosis
El problema de propulsar algo tan pequeño no es trivial. Los métodos convencionales de movimiento robótico, motores eléctricos, actuadores hidráulicos, paletas y hélices, requieren partes mecánicas móviles que a escala de décimas de milímetro son difíciles de fabricar y todavía más difíciles de mantener. El equipo de Miskin tomó un camino completamente diferente: en lugar de intentar mover el robot, diseñaron un sistema que mueve el líquido alrededor del robot.
El sistema de propulsión genera un campo eléctrico localizado alrededor del robot. Ese campo ejerce una fuerza sobre los iones (átomos o moléculas con carga eléctrica) presentes en cualquier líquido. Los iones se mueven y, al hacerlo, arrastran las moléculas de agua adyacentes. Ese flujo de agua empuja al robot hacia adelante en lo que se conoce como electro-ósmosis. Cambiando la distribución y orientación del campo eléctrico, el robot puede avanzar, girar y cambiar de dirección con precisión. Sin ninguna parte móvil, lo que lo hace extremadamente duradero.
La velocidad máxima es modesta: una longitud de cuerpo por segundo, unos 300 micrómetros por segundo, equivalente a poco más de un milímetro por segundo. Para comparar, una bacteria E. coli nada a unas 30 micras por segundo, y los robots de este tamaño compiten con paramecios y otras microcriaturas en su régimen de velocidad. La clave no es la velocidad sino la autonomía y la durabilidad: los robots funcionan durante meses en líquido sin necesitar recarga ni mantenimiento.
El cerebro y los ojos: microcomputadora de Michigan y sensor de temperatura
La potencia de procesamiento viene de los ingenieros de la Universidad de Michigan. David Blaauw y Dennis Sylvester, especialistas en electrónica de ultra-bajo consumo, desarrollaron las microcomputadoras embebidas en cada robot. Son circuitos integrados de dimensiones extremadamente reducidas que pueden almacenar programas, procesar información de los sensores y ejecutar instrucciones sin comunicación continua con el exterior.
La energía llega de microceldas fotovoltaicas integradas en la superficie del robot que convierten la luz LED en electricidad. No necesita baterías. Mientras haya iluminación, el robot opera. Ese mismo canal de luz sirve como interfaz de programación: pulsando luz con patrones específicos, los investigadores pueden enviar instrucciones diferentes a cada robot de forma individual, aunque haya cientos de ellos en el mismo recipiente.
El sensor que llevan actualmente es de temperatura: el robot detecta gradientes térmicos en su entorno (variaciones de décimas de grado) y ajusta su trayectoria automáticamente para moverse hacia zonas más cálidas o evitar variaciones bruscas. La comunicación inversa, del robot al investigador, ocurre mediante los movimientos del robot mismo: patrones de desplazamiento codificados que una cámara conectada a un microscopio registra y decodifica.
Un centavo por robot: fabricación en masa desde el primer día
Uno de los aspectos más sorprendentes del proyecto es el costo: aproximadamente un centavo de dólar por robot. Eso es posible porque el proceso de fabricación se basa en técnicas de litografía de semiconductores estándar, similares a las que se usan para fabricar chips de computadora. Los últimos pasos del proceso despliegan cientos de robots simultáneamente en la superficie de una oblea de silicio, lo que hace que el costo unitario caiga drásticamente con el volumen de producción.
Eso abre posibilidades que serían impensables si cada robot costara decenas o cientos de dólares. Si el robot es desechable o se puede perder en un entorno biológico sin consecuencias económicas significativas, el rango de aplicaciones potenciales se amplía enormemente.
Las aplicaciones potenciales: desde células individuales hasta manufactura de precisión
Los robots operan a la misma escala que muchos microorganismos: son comparables en tamaño a un paramecio, más grandes que una bacteria pero del orden de magnitud de muchas células eucariotas. Eso los hace candidatos naturales para aplicaciones en biología celular, donde podrían navegar en medios de cultivo celular, detectar señales químicas o físicas de células individuales y reportar lo que encuentran.
En manufactura a microescala, podrían asistir en el ensamblaje de dispositivos cuyas piezas son demasiado pequeñas para manipular con pinzas convencionales, como componentes de chips fotónicos, microelectrónica o sensores biológicos. En medicina, versiones futuras con sensores más avanzados podrían circular por fluidos corporales y monitorear parámetros locales con una resolución espacial imposible de lograr con otros métodos.
Miskin fue explícito sobre el estado actual: «Este es realmente solo el primer capítulo. Hemos demostrado que puedes poner un cerebro, un sensor y un motor en algo casi demasiado pequeño para ver, y que funcione durante meses. Una vez que tienes esa base, puedes agregar todo tipo de inteligencia y funcionalidad». Como documenta la nota de prensa oficial de la Universidad de Pennsylvania, los próximos pasos incluyen almacenamiento de programas más complejos, mayor velocidad de desplazamiento e integración de nuevos tipos de sensores.
