Des chercheurs américains ont créé les plus petits robots entièrement programmables et autonomes au monde : des machines microscopiques de nage qui peuvent indépendamment détecter et répondre à leur environnement, fonctionner pendant des mois et ne coûter qu’un centime chacune.
À peine visibles à l’œil nu, chaque robot mesure environ 200 sur 300 sur 50 micromètres, soit plus petit qu’un grain de sel. Opérant à l’échelle de nombreux micro-organismes biologiques, les robots pourraient faire progresser la médecine en surveillant la santé de cellules individuelles et la fabrication en aidant à construire des dispositifs à l’échelle microscopique.
Alimentés par la lumière, les robots transportent des ordinateurs microscopiques et peuvent être programmés pour se déplacer selon des motifs complexes, détecter les températures locales et ajuster leur trajectoire en conséquence.
Les robots fonctionnent sans attaches, champs magnétiques ou contrôle externe de type joystick, ce qui en fait les premiers robots véritablement autonomes et programmables à cette échelle.
« Nous avons fabriqué des robots autonomes 10 000 fois plus petits », déclare Marc Miskin, professeur adjoint en génie électrique et des systèmes à Penn Engineering et auteur principal des articles. « Cela ouvre une toute nouvelle échelle pour les robots programmables. »
Franchir la barrière du submillimétrique
Pendant des décennies, l’électronique est devenue de plus en plus petite, mais les robots ont eu du mal à suivre le rythme. « Construire des robots qui fonctionnent de manière indépendante à des tailles inférieures à un millimètre est incroyablement difficile », explique Miskin. « Le domaine est essentiellement resté bloqué sur ce problème pendant 40 ans. »
Les forces qui dominent le monde humain, comme la gravité et l’inertie, dépendent du volume. Réduisez à la taille d’une cellule, cependant, et les forces liées à la surface, comme la traînée et la viscosité, prennent le dessus. « Si vous êtes suffisamment petit, pousser sur l’eau, c’est comme pousser à travers du goudron », affirme Miskin.
En d’autres termes, à l’échelle microscopique, les stratégies qui déplacent les robots plus grands, comme des membres, réussissent rarement. « De très petites jambes et bras sont faciles à casser », précise Miskin. « Ils sont aussi très difficiles à fabriquer. »
L’équipe a donc dû concevoir un tout nouveau système de propulsion, qui fonctionne avec — plutôt que contre — la physique unique de la locomotion dans le domaine microscopique.
Faire nager les robots
Les grandes créatures aquatiques, comme les poissons, se déplacent en poussant l’eau derrière elles. Grâce à la troisième loi de Newton, l’eau exerce une force égale et opposée sur le poisson, le propulsant vers l’avant.
Les nouveaux robots, en revanche, ne fléchissent pas du tout leur corps. Ils génèrent plutôt un champ électrique qui pousse les ions dans la solution environnante. Ces ions, à leur tour, poussent sur les molécules d’eau voisines, animant l’eau autour du corps du robot. « C’est comme si le robot était dans une rivière en mouvement », décrit Miskin, « mais le robot provoque aussi le mouvement de la rivière. »
Les robots peuvent ajuster le champ électrique qui provoque cet effet, leur permettant de se déplacer selon des motifs complexes et même de voyager en groupes coordonnés, un peu comme un banc de poissons, à des vitesses allant jusqu’à une longueur de corps par seconde.
Et parce que les électrodes qui génèrent le champ n’ont pas de pièces mobiles, les robots sont extrêmement durables. « Vous pouvez transférer ces robots à plusieurs reprises d’un échantillon à un autre en utilisant une micropipette sans les endommager », assure Miskin. Rechargés par la lueur d’une LED, les robots peuvent continuer à nager pendant des mois.
Donner un cerveau aux robots
Pour être véritablement autonome, un robot a besoin d’un ordinateur pour prendre des décisions, d’une électronique pour détecter son environnement et contrôler sa propulsion, et de minuscules panneaux solaires pour alimenter le tout, et tout cela doit tenir sur une puce qui fait une fraction de millimètre. C’est là que l’équipe de David Blaauw à l’Université du Michigan est entrée en action.
Le laboratoire de Blaauw détient le record du plus petit ordinateur du monde. Lorsque Miskin et Blaauw se sont rencontrés pour la première fois lors d’une présentation organisée par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) il y a cinq ans, le duo a immédiatement réalisé que leurs technologies étaient parfaitement compatibles. « Nous avons vu que le système de propulsion de Penn Engineering et nos minuscules ordinateurs électroniques étaient faits l’un pour l’autre », révèle Blaauw. Pourtant, il a fallu cinq ans de travail acharné des deux côtés pour livrer leur premier robot fonctionnel.
« Le défi clé pour l’électronique », explique Blaauw, « est que les panneaux solaires sont minuscules et ne produisent que 75 nanowatts de puissance. C’est plus de 100 000 fois moins de puissance que ce que consomme une montre intelligente. » Pour faire fonctionner l’ordinateur du robot avec si peu de puissance, l’équipe du Michigan a développé des circuits spéciaux qui fonctionnent à des tensions extrêmement basses et réduisent la consommation d’énergie de l’ordinateur de plus de 1000 fois.
Néanmoins, les panneaux solaires occupent la majorité de l’espace sur le robot. Par conséquent, le deuxième défi était de tasser le processeur et la mémoire pour stocker un programme dans le peu d’espace restant. « Nous avons dû repenser totalement les instructions du programme informatique », poursuit Blaauw, « en condensant ce qui nécessiterait conventionnellement de nombreuses instructions pour le contrôle de la propulsion en une seule instruction spéciale, afin de réduire la longueur du programme pour qu’il tienne dans l’espace mémoire minuscule du robot. »
Des robots qui détectent, mémorisent et réagissent
Ce que ces innovations ont rendu possible, c’est le premier robot submillimétrique qui peut réellement penser. À la connaissance des chercheurs, personne n’a auparavant placé un véritable ordinateur — processeur, mémoire et capteurs — dans un robot aussi petit. Cette percée fait de ces dispositifs les premiers robots microscopiques qui peuvent détecter et agir par eux-mêmes.
Les robots ont des capteurs électroniques qui peuvent détecter la température à un tiers de degré Celsius près. Cela permet aux robots de se déplacer vers des zones de température croissante, ou de rapporter la température — un indicateur de l’activité cellulaire — leur permettant de surveiller la santé de cellules individuelles.
« Pour rapporter leurs mesures de température, nous avons conçu une instruction informatique spéciale qui encode une valeur, comme la température mesurée, dans les ondulations d’une petite danse que le robot exécute », détaille Blaauw. « Nous observons ensuite cette danse au microscope avec une caméra et décodons à partir des ondulations ce que les robots nous disent. C’est très similaire à la façon dont les abeilles communiquent entre elles. »
Les robots sont programmés par des impulsions de lumière qui les alimentent également. Chaque robot a une adresse unique qui permet aux chercheurs de charger différents programmes sur chaque robot. « Cela ouvre une multitude de possibilités », ajoute Blaauw, « avec chaque robot pouvant potentiellement jouer un rôle différent dans une tâche conjointe plus large. »
Seulement le début
Les futures versions des robots pourraient stocker des programmes plus complexes, se déplacer plus vite, intégrer de nouveaux capteurs ou fonctionner dans des environnements plus difficiles. En substance, la conception actuelle est une plateforme générale : son système de propulsion fonctionne parfaitement avec l’électronique, ses circuits peuvent être fabriqués à moindre coût à grande échelle et sa conception permet d’ajouter de nouvelles capacités.
« Ce n’est vraiment que le premier chapitre », conclut Miskin. « Nous avons montré que vous pouvez mettre un cerveau, un capteur et un moteur dans quelque chose de presque trop petit pour être vu, et le faire survivre et fonctionner pendant des mois. Une fois que vous avez cette fondation, vous pouvez superposer toutes sortes d’intelligence et de fonctionnalités. Cela ouvre la porte à un tout nouvel avenir pour la robotique à l’échelle microscopique. »
Les co-auteurs supplémentaires incluent Maya M. Lassiter, Kyle Skelil, Lucas C. Hanson, Scott Shrager, William H. Reinhardt, Tarunyaa Sivakumar et Mark Yim de l’Université de Pennsylvanie, et Dennis Sylvester, Li Xu, et Jungho Lee de l’Université du Michigan.
Article : Microscopic Robots That Sense, Think, Act, and Compute – Journal : Science Robotics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
