O echipă de ingineri din SUA a creat cel mai mic robot inteligent din lume, aplicând soluţii geniale în construcţia lui

În ultimii ani, în lume au evoluat foarte mult mai ales roboţii umanoizi, care sunt tot mai mult pregătiţi să ia locul muncitorilor din fabrici, în primul rând în fabricile auto, deoarece companiile auto au fost printre principalii investitori şi clienţi declaraţi ai acestora. Dar în domeniul roboţilor de dimensiuni foarte mici, progresul a înţepenit de minim 25 ani încoace, iar unii cercetători spun chiar că de 40 de ani nu a avut loc niciun salt tehnologic cu adevărat major. Cei mai mici roboţi au rămas blocaţi la dimensiuni de exact sub 1 mm, iar reducerea lor la scară şi mai mică a întâmpinat bariere imense, atât de legile fizicii la asemenea scară, cât de dileme practice. La dimensiuni mai mici de atât e ultra dificil să se asigure stocare de energie şi o propulsie precisă. Şi în timp ce roboţii mari au deja un grad avansat de inteligenţă proprie, sesizând mediul din jurul lor, distingând obiecte şi putând acţiona cu un comportament cu discernământ avansat, roboţii mici nu au spaţiu suficient pentru a îngloba procesoare pentru a avea memorie, putere de calcul necesară şi senzori pe care să se bazeze. Şi până acum marea dilemă în micşorarea roboţilor era ce să se sacrifice, dimensiunea sau inteligenţa, pentru că un robot mai mic şi totodată mai inteligent nu putea fi făcut. Dar acum o echipă de ingineri de la Universitatea Pennsylvania şi Universitatea Michigan din SUA a creat cel mai mic robot inteligent din lume, aplicând soluţii geniale şi de-a dreptul fascinante în construcţia lui, de la sistem de propulsie şi combustibil folosit până la capacităţile de procesare inteligentă.

Foto: Noul robot, în mai multe exemplare

Noul robot are dimensiuni de 210 x 340 x 50 micrometri sau, dacă e să exprimăm în mm, dimensiunile sunt de 0,21 x 0,34 x 0,05 milimetri. Pentru cei care mai ţin minte lecţiile de biologie, dimensiunea e comparabilă cu cea a unui parameci, cel mai mare organism unicelular. Dar ne putem imagina vizual suprafaţa unui pătrat cu latura de 1 mm, iar noul robot ar ocupa 7,14% din suprafaţa acelui pătrat sau a 14-a parte din el.

Foto: Noul robot, în comparaţie cu textura pielii unui deget uman

Marele paradox e că în această dimensiune microscopică a robotului, echipa de ingineri a reuşit să încorporeze şi un sistem de propulsie propriu, şi o sursă conversie a energiei, şi senzori, şi capacitatea de procesare pentru decizii inteligente. Înainte de a intra în curiozităţile construcţiei, vom spune că acest nou robot revoluţionar deschide oportunităţi imense de a fi aplicat într-o multitudine de domenii, incisiv inginerie civilă, construcţii mecanice sofisticate şi chiar automobilele, de la proiectarea până la reparaţia lor. Dar înainte de a vorbi detaliat despre aplicabilitate, să vedem cum e construit noul robot.

Inginerii au reuşit să creeze un procesor minuscul pentru a-i asigura puterea de procesare şi luare a deciziilor, aplicând litografia, un proces folosit la fabricarea celor mai avansate semiconductoare, pentru cele mai performante cipuri din lume. La semiconductoarele pentru cipuri, în rolul materialelor brute servesc de obicei nitrura de galiu (GaN), siliciul (Si) sau carbura de siliciu (SiC). Prin câteva procese repetitive — precum litografia, gravarea, doparea şi depunerea controlată, utilajele de producţie formează schema unui circuit integrat, cu transistori, condensatori şi interconexiuni, direct pe suprafaţa plachetei de siliciu. Doar litografierea permite formarea unor circuite suficient de mici pentru ca cipurile ultraperformante să aibă concentrate suficiente elemente, încât să aibă puterea de calcul uriaşă dorită. Iar acea litografiere se face prin utilaje extrem de complicate, produse doar de o singură companie din lume, olandezii de la ASML şi noi explicam într-un articol recent despre specificul acestei construcţii de cipuri şi despre faptul că şi chinezii încearcă să replice aceste tehnologii.

Foto: Utilaj de litografiere ASML pentru semiconductori

Ei bine, robotul despre care vorbim azi nu avea spaţiu pentru un cip de mărime normală, unde, în interiorul celor mai performante se regăsesc trilioane de tranzistori simpli sau peste 200 miliarde de tranzistori de mare capacitate în cipurile GPU ultra performante. Însă el a aplicat o tehnică similară de a încorpora maxim ce putea pe procesorul său microscopic. Şi inginerii au produs efectiv mii de procesoare de roboţi pe o plachetă de siliciu similară cu cea pentru cipuri, tăind apoi plăcile separate pentru fiecare robot.

Partea la fel de curioasă e că acest proces nu avea spaţiu nici măcar pentru conectoare şi o placă clasică. Aşa că impulsurile pentru programarea lui se transmit prin lumină LED. Procesorul are mici celule fotovoltaice, care captează această lumină, iar procesorul rulează algoritmi programabili. Programarea robotului se realizează, deci, printr-un LED extern, cu lungime de udă de 565 nm, care-i transmite informaţie digitală prin secvenţe de lumină şi pauze, replicând obişnuitele „1 şi 0” din comunicările digitale. Doar că aici comunicarea digitală are loc optic. Astfel, robotul poate fi programat să ruleze pe scenarii inteligente pentru misiunea pe care o are în faţă, fie din fabrică, fie într-un laborator înainte de a fi lansat într-o misiune.

Robotul e programat la baza sa să aştepte o succesiune de impulsuri luminoase predefinite, pentru a accepta scrierea de programe. E un soi de parolă de acces în creierul acelui robot, ca acesta să accepte un program nou, iar astfel se evită rescrieri accidentale sub influenţa factorilor de mediu. Iar codul efectiv de algoritm pe care robotul îl acceptă a fost configurat în limbaj Phyton, pentru a fi cât mai universal şi cunoscut, şi totodată uşor de implementat la scară mare în multe industrii.

Algoritmii robotului sunt relativ simpli în esenţă şi presupun acţiuni de genul mişcării în direcţia dorită, corelată cu timpul intern al robotului dacă se doreşte şi corelată cu datele de la senzorii de mediu. Cel mai important e că robotul va putea memora aceste date de mediu în memoria proprie. Astfel, robotul va putea să se mişte în mediul în care e lansat fie pe un traseu predefinit, fie în funcţie de mediul pe care-l întâmpină în cale. Va putea înregistra temperaturi, va putea sesiza reacţiile electrochimice ale mediului din jurul său, şi chiar contraste luminoase a pereţilor din jurul mediului în care e lansat.

Foto: Înaintarea robotului într-un mediu lichid

Toate aceste informaţii sunt sesizate printr-o matrice de elemente de pe circuitul său, care acţionează ca senzori. Pe lângă asta, însăşi sistemul de propulsie are rol de senzori spaţiali. Iar acest sistem e neaşteptat de genial.

Într-un asemenea robot mic, nu există loc de electromotoare şi roboţi atât de mici de obicei nu prea au sisteme de propulsie proprie. El încorporează mai degrabă elemente electromagnetice proprii, care permit unor dispozitive exterioare să-i ghideze prin mediul dorit prin interacţiunea cu acel câmp electromagnetic. Însă asta înseamnă că acel robot nu are independenţă de mişcare şi nici libertatea de a lua decizii inteligente şi a se mişca în funcţie de ce a decis.

Foto: Alţi roboţi, mai mari, cu propulsie mecanică

Acest sistem de propulsie e format din 4 mici electrozi de platină, care primesc impulsuri electrice şi generează forţa de propulsie datorită acestor impulsuri. Prezenţa a 4 electrozi îi permite robotului să manevreze cu precizie în funcţie de direcţia dorită. Forţa de propulsie se generează de acei electrozi printr-un câmp electric minuscul creat local în interiorul lichidului în care e lansat robotul. Creare acelui câmp electric produce o mică undă de şoc, care ajută robotul să se propulseze reactiv. Acest efect n-ar funcţiona eficient la scara unor obiecte mari scufundat în lichide, însă funcţionează bine la scara mică a lichidelor, unde rezistenţa lor faţă de particulele atât de mici e mai mare. Şi tocmai pe această rezistenţă se sprijină conceptul sistemului de propulsie, „împingându-se” de ea cu fiecare nouă serie de impulsuri şi strecurându-se mai departe şi manevrând prin combinare inteligentă a electrozilor care generează impulsuri, sincronizat sau succesiv.

Tot sistemul de propulsie, cu toate puterea de procesare necesară robotului, operează cu o putere electrică de doar 100 nanowaţi. E a miliarda parte dintr-un watt. Cei 100 nW putere, raportaţi la timpul unei ore de continuă operare, ar însemna 100 nWh, ceea ce înseamnă un consum de 1,667 nWh per minut, iar când ajunge la scara unei secunde, trecem deja la unitatea şi mai mică, de picowaţi, cu un consum de 27,8 pWh per secundă. Sunt cantităţi absolut infime de energie, dar şi ele trebuie să vină de undeva.

Noul robot nu are vreo baterie sau formă de stocare a energiei, ci foloseşte celule fotovoltaice pentru a transforma direct lumina în electricitate pentru sistemul de propulsie şi pentru alimentarea procesorului şi senzorilor. Acum această electricitate vine de la o lumină externă LED, de 473 nm. Deci, robotul are nevoie de un LED extern care să-l lumineze în procesul lui de operare acum, în testele de laborator. În viitor, însă, sursa de energie poate fi mărită în diapazonul de unde de lumină acceptată şi se poate ajunge şi la acceptarea căldurii ca sursă de energie. Doar că asta ar fi parte din următoarele elaborări. La etapa de azi, sursa de energie e lumina direcţionată spre el.

Asta îi dă deja multiple forma de aplicare, iar în momentul când spectrul de energie acceptată ca sursă va fi mărit, acest robot microscopic va devenit de-a dreptul universal. Pentru comparaţie, probabil cel mai avansat robot mic de până acum e cel elaborare de elveţienii de la universitatea ETH Zurich la sfârşitul anului 2025, care are scop pur medical de a livra medicamentele dorite în interiorul sistemului vascular uman exact în punctul necesar. Acel robot nu are un procesor complex propriu, care să ia decizii independente, ci e dirijat de o conglomerare de câmpuri magnetic creare şi induse în jurul său. El e dirijat până la punctul dorit din organism, transportând medicamente în interiorul corpului său sferic, după care, când ajunge la destinaţie, un impuls electromagnetic specific exterior îl face să-şi deschisă compartimentul de stocare şi să elibereze substanţele stocate acolo.

Foto: Robotul elveţian, în formă de granulă sferică

Invenţia elveţienilor e mult mai practică în sensul în care a fost gândită cu un scop foarte clar biomedical şi a fost deja perfecţionată la un nivel admirabil, trecând şi teste avansate. Ea nu are sistem propriu de propulsie, sau procesor propriu, dar poate îndeplini rolul cruciale în medicină, livrând doze exacte cu mare precizie în punctul dorit, excluzând efectele adverse ale multor tratamente severe. Poate chiar dizolva trombe sangvine ce riscă provocarea unui accident cardiovascular sau poate merge exact spre o infecţie localizată sau o tumoare, pentru a elibera acolo medicamente necesare. Astea sunt funcţiile robotului elveţian — probabil cel mai avansat din lume de până acum — însă robotul despre vorbim azi e şi mult mai mic, dar are şi funcţii diferite.

Foto: Robotul elveţian, în formă de granulă sferică

În medicină el ar putea fi folosit ca instrument de diagnosticare, nu de livrare de medicamente. Rolul lui e să navigheze în punctul dorit şi să acumuleze informaţie din interior, acolo unde poate alte utilaje imagistice nu pot să o facă. Însă robotul nu va filma din interior, el fiind prea mic, ci va descoperi anomalii localizate la nivel electrochimic, fapt care poate fi de mare ajutor pentru diagnosticări sau verificări de diagnostic.

La începutul acestui articol spuneam şi despre faptul că noul robot ar fi aplicabil şi-n ingineria civilă şi chiar în motoarele de maşini sau multe alte sisteme. Şi e adevărat, pentru că robotul ar putea fi declanşat în orice sistem cu mediu lichid pentru a face explorări şi diagnosticări avansate şi a genera efectiv o hartă vizuală cu identificarea anomaliilor şi problemelor sesizate din interior. Sisteme de lubrifiere cu ulei, sisteme de răcire cu antigel, sisteme de aer condiţionat — toate l-ar putea încorpora şi noul robot ar putea arăta unde există probleme în interiorul unui motor, spre exemplu, sau în interiorul unui sistem de răcire. Iar asta i-a ajuta şi pe mecanici, şi pe inginerii care dezvoltă aceste motoare, pentru a identifica foarte exact vulnerabilităţile, punctele unde se atestă creşteri de căldură sau uzură sporită şi multe altele. În ingineria civilă, acelaşi lucru poate fi aplicat în orice construcţii de scară mult mai mare. Prin urmarea, utilitatea unui micro robot e uriaşă, iar oamenii de ştiinţă pot spune acum că noua creaţie face primul salt tehnologic în acest domeniu după decenii de stagnare.