Telles des vagues balayant de minuscules foules dans des stades, des machines microscopiques conçues par des chercheurs de Cornell peuvent synchroniser leurs mouvements de manière autonome, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour l’utilisation de microrobots dans l’administration de médicaments, le mélange de produits chimiques et l’assainissement de l’environnement, entre autres applications.
Cette recherche est la première à démontrer la synchronisation dans des machines microscopiques équipées d’oscillateurs à métal-oxyde-semiconducteur complémentaire, selon une étude publiée dans Science Robotics par les coauteurs principaux Alyssa Apsel, professeur d’ingénierie IBM et directeur de l’école d’ingénierie électrique et informatique, et Itai Cohen, professeur de physique au collège des arts et des sciences et président du département de technologie de la conception.
Les machines se coordonnent en échangeant des impulsions électroniques jusqu’à ce que l’ensemble du système soit aligné sur l’oscillateur le plus rapide. Chaque machine est équipée d’un actionneur à palette de flexion qui ne fait que 7 nanomètres d’épaisseur et qui fléchit lorsqu’il est activé, imitant le mouvement d’une personne assise et debout lors d’une vague de stade.
« Les oscillateurs consomment très peu d’énergie – moins d’un nanowatt – et fonctionnent avec une faible complexité », déclare M. Apsel. « Nous concevons essentiellement des systèmes de synchronisation locaux qui communiquent entre eux pour produire des comportements globaux. Cette approche est idéale pour les machines à micro-échelle qui n’ont pas la puissance, la capacité ou l’espace nécessaires pour être câblées sur de longues distances ».
La synchronisation repose sur une technique de couplage par impulsions dans laquelle des oscillateurs envoient des signaux électroniques périodiques qui ajustent la synchronisation des machines voisines, alignant leurs mouvements sans qu’il soit nécessaire de les contrôler de manière centralisée. Cette stratégie s’inspire de travaux antérieurs sur les systèmes d’oscillateurs couplés menés par des mathématiciens, notamment à Cornell, qui ont élaboré des cadres théoriques pour modéliser les « horloges internes » de phénomènes naturels tels que les lucioles qui clignotent à l’unisson ou les cellules cardiaques qui battent ensemble.
« Cette approche décentralisée permet au système de s’auto-corriger et de maintenir la synchronisation même lorsque les conditions changent ou que des perturbations externes se produisent », explique Milad Taghavi, Ph.D., qui a codirigé la recherche avec Wei Wang, Ph.D. « Si un groupe se sépare, la technique garantit que chaque sous-groupe peut continuer à se synchroniser indépendamment. Au fil du temps, si les groupes sont reconnectés, les impulsions partagées leur permettront de rétablir la synchronisation de manière transparente ».
Les chercheurs ont réussi à synchroniser des réseaux allant jusqu’à 16 micromachines dans des configurations linéaires et bidimensionnelles, et ont indiqué que des ajustements minimes étaient nécessaires pour passer à des réseaux plus importants. Cette évolutivité permet de coordonner des essaims de microrobots de plus en plus complexes, ce qui ouvre la voie à des applications telles que le transport fluidique pour l’administration de médicaments, le mélange de produits chimiques et le nettoyage de l’environnement, ainsi que la construction collaborative à l’échelle microscopique.
« Cela ouvre également la voie à la fabrication de matériaux élastroniques où l’électronique est incorporée à chaque élément du matériau pour créer des comportements émergents qui ne peuvent pas être obtenus dans les systèmes naturels », ajoute M. Cohen.
Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux sur les micromachines, a indiqué M. Apsel, avec des projets futurs qui pourraient inclure des microrobots coordonnés qui imitent les vers de poche ou même des microrobots qui peuvent se diviser en plusieurs morceaux autonomes.
« Les ingénieurs ont fait d’énormes progrès dans la fabrication de ces minuscules machines capables de se déplacer et même de détecter leur environnement, mais il est difficile de trouver des méthodes vraiment élégantes pour les faire fonctionner collectivement », conclut M. Apsel. « Cet article montre qu’il est possible d’utiliser des idées issues de la biologie, de la nature, et de les exploiter afin de démontrer des comportements collectifs. »
Article : « Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling »- DOI : 10.1126/scirobotics.adn8067
Auteur : Syl Kacapyr du Cornell Engineering – Traduction Enerzine.com
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