Ilmuwan Memasukkan Komputer ke dalam Robot Berukuran Sebutir Garam

Singkatnya

• Para peneliti membangun robot otonom berukuran sebesar butiran garam yang dapat berenang, mendeteksi suhu, dan beroperasi secara mandiri selama berbulan-bulan.
• Robot menggunakan medan listrik alih-alih bagian yang bergerak.
• Mereka adalah robot sub-milimeter pertama dengan komputer terintegrasi, dengan biaya pembuatan satuan hanya satu sen.

Para peneliti baru saja mengecilkan robot otonom hingga sebesar debu. Dan robot-robot ini bisa berpikir—sebagian. Sebuah tim dari University of Pennsylvania dan University of Michigan membangun mesin mikroskopis—berukuran 200 x 300 x 50 mikrometer, sebesar butiran garam—yang dapat berenang melalui cairan, mendeteksi perubahan suhu, membuat keputusan sendiri, dan beroperasi selama berbulan-bulan. Setiap satuan biaya sekitar satu sen untuk diproduksi. Robot kecil ini sepenuhnya otonom. Tanpa kabel, tanpa medan magnet, tanpa joystick dari luar. Hanya sebuah komputer kecil, sensor, dan sistem propulsi yang dimasukkan ke dalam sesuatu yang hampir terlalu kecil untuk dilihat dengan mata telanjang. 

“Kami telah membuat robot otonom 10.000 kali lebih kecil,” kata Marc Miskin, asisten profesor di Penn Engineering, kepada Science Daily. “Ini membuka skala baru yang sepenuhnya berbeda untuk robot yang dapat diprogram.” Terobosan ini mengatasi masalah yang telah membingungkan robotik selama 40 tahun: bagaimana membangun mesin yang beroperasi secara mandiri di bawah satu milimeter. Elektronik terus menyusut, tetapi robot tidak mengikuti. Fisika pada skala ini sangat keras—Miskin menjelaskan bahwa mendorong melalui air terasa seperti mendorong melalui tar, dan lengan atau kaki kecil langsung patah. Jadi tim ini membuang desain konvensional sama sekali. Alih-alih membengkokkan atau melenturkan anggota tubuh, robot-robot ini menghasilkan medan listrik yang mendorong partikel bermuatan di cairan sekitar. Ion-ion tersebut menarik molekul air bersamanya, menciptakan gerakan.

Perkiraan timelapse trajektori partikel pelacak di dekat robot yang terdiri dari tiga motor yang terhubung. (Kredit: Lucas Hanson dan William Reinhardt, University of Pennsylvania)

Pendekatan ini berhasil karena tidak memiliki bagian yang bergerak. Elektroda cukup tahan lama untuk dipindahkan berulang kali antar sampel dengan pipet mikro tanpa kerusakan. Ditenagai oleh cahaya LED, mereka terus berenang selama berbulan-bulan.

Panel surya kecil yang memberi daya pada robot-robot ini hanya menghasilkan 75 nanowatt. Untuk membuatnya bekerja, Michigan merancang rangkaian yang beroperasi pada voltase sangat rendah, mengurangi konsumsi lebih dari 1.000 kali lipat. Mereka juga harus benar-benar memikirkan ulang cara kerja perangkat lunak, merangkum apa yang biasanya membutuhkan banyak instruksi menjadi satu perintah khusus yang muat dalam memori mikroskopis. Hasilnya: robot sub-milimeter pertama dengan komputer lengkap. Prosesor, memori, sensor—semua lengkap. Tidak ada yang pernah melakukan ini sebelumnya pada skala ini.

Seorang mikrorobot, terintegrasi penuh dengan sensor dan komputer, cukup kecil untuk seimbang di punggung sidik jari. Kredit: Marc Miskin, University of Pennsylvania (Inset: Seorang mikrorobot di atas uang logam satu dolar AS, menunjukkan skala. Kredit: Michael Simari, University of Michigan)

Robot-robot ini dapat mendeteksi suhu hingga sepertiga derajat Celsius—enam persepuluh derajat Fahrenheit bagi pecinta sistem imperial. Mereka dapat bergerak menuju daerah yang lebih hangat atau melaporkan nilai suhu yang berfungsi sebagai proxy untuk aktivitas sel—berpotensi memantau sel individu. Untuk mengkomunikasikan pengukuran mereka, para peneliti merancang instruksi khusus yang mengkode data dalam “goyangan” dari tarian kecil yang dilakukan robot. Para ilmuwan mengamati melalui mikroskop dan menguraikan pesan tersebut. Ini seperti cara lebah madu berkomunikasi, kata Profesor Teknik Elektro dan Komputer University of Michigan David Blaauw. Robot-robot ini diprogram melalui pulsa cahaya yang juga memberi daya. Setiap satu memiliki alamat unik, memungkinkan peneliti memuat program berbeda pada unit yang berbeda. Mereka dapat bekerja secara mandiri atau berkoordinasi dalam kelompok, bergerak dalam pola seperti kawanan ikan dengan kecepatan hingga satu panjang tubuh per detik. Versi mendatang bisa menyimpan program yang lebih kompleks, mengintegrasikan sensor baru, atau beroperasi di lingkungan yang lebih keras. Desain saat ini adalah sebuah platform—sistem propulsi-nya bekerja dengan elektronik yang dapat diproduksi dengan murah dalam skala besar. “Ini benar-benar hanya bab pertama,” kata Miskin. “Kami telah menunjukkan bahwa Anda dapat menaruh otak, sensor, dan motor ke dalam sesuatu yang hampir terlalu kecil untuk dilihat, dan membuatnya bertahan dan bekerja selama berbulan-bulan.” “Setelah Anda memiliki fondasi itu,” tambahnya, “Anda bisa menambahkan berbagai kecerdasan dan fungsi.”