Pennsylvania Üniversitesi ve Michigan Üniversitesi mühendisleri, son miniaturizasyon gelişmeleriyle dünyanın en küçük tam programlanabilir otonom robotlarını üretti. Her biri tuz tanesinden küçük, yaklaşık 200x300x50 mikrometre boyutunda olan robotlar, bir peni maliyetle üretildi ve bağlantısız olarak hareket edip algılayıp hesaplayıp tepki verebiliyor.
Bu robotlar, mevcut mikro robotlardan 10 bin kat daha küçük ölçekte tasarlandı. Pennsylvania Üniversitesi Elektrik ve Sistemler Mühendisliği Yardımcı Doçenti Marc Miskin, Science Alert’e kaydettiği açıklamada, “Bu, programlanabilir robotlar için tamamen yeni bir ölçek açıyor” ifadesini kullandı. Araştırmacılar, çalışmalarını Science Robotics ve Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri’nde yayımladı. Tek hücrelerin sağlığını izlemekten mikromakine üretimine, doku ortamlarında gezinmeye kadar geniş uygulama alanları öngörüldü.
Sub-milimetre ölçekte çalışan robotlarda atalet ve yerçekimi etkileri, sürüklenme ve viskozite gibi yüzey kuvvetlerine yenik düşüyor. Geleneksel mekanik uzuvlar bu koşullarda kırılıyor veya hareket üretemiyor. Miskin, “Yeterince küçük olursanız, suya itmek katranı itmek gibi oluyor” diye belirtti.
Takım, hareketli parça içermeyen yenilikçi bir lokomosyon sistemi geliştirdi. Robotlar, indüklenmiş elektrik alanlarıyla çevre sıvıdaki iyonları manipüle ediyor. Bu iyonlar, yakındaki su moleküllerini iterek robotu sıvı içinde ilerletiyor. Miskin, “Sanki robot hareket eden bir nehirde, ama robot nehri de hareket ettiriyor” aktarımını yaptı. Alanın ayarlanmasıyla karmaşık yörüngeler izlenebiliyor, balık sürüsü gibi koordinasyon sağlanıyor ve bir gövde uzunluğu hızında ilerleme elde ediliyor. Hareketli bileşen olmaması sayesinde mekanik olarak dayanıklı olan robotlar, numuneler arası defalarca aktarılabiliyor. Basit bir LED ışıkla beslenen cihazlar aylarca çalışabiliyor.
Fiziksel hareketin yanı sıra bağımsız eylem için hesaplama entegrasyonu sağlandı. Pennsylvania ekibi, dünyanın en küçük bilgisayarını geliştiren Michigan Üniversitesi’nden David Blaauw grubuna başvurdu. DARPA toplantısında başlayan beş yıllık işbirliğiyle teknolojiler tamamlandı. Her robotun güneş panelleri yalnızca 75 nanowatt üretiyor, akıllı saatlerden 100 binden fazla kat az güç sağlıyor. Blaauw’un takımı, aşırı düşük voltajlı devreler tasarlayarak bilgisayarın güç tüketimini bin katın üzerinde azalttı. Paneller yüzeyin çoğunu kapladığı için işlemci ve bellek için sınırlı alan kaldı. Sonuçta birkaç yüz mikrometre içinde işlemci, bellek, sensörler ve motor fonksiyonu entegre edildi.
Mikro bilgisayar, yaklaşık yarım derece Celsius hassasiyetle sıcaklık algılaması yapıyor ve sıcaklık gradyanlarına tepki veriyor. Biyolojik aktiviteyi takip etmek veya çevresel verileri gerçek zamanlı bildirmek gibi görevler gerçekleştirilebiliyor. Robot üretimi son aşamalarında yüzlerce cihaz aynı anda fabrikasyon ediliyor. Bireysel veya toplu programlama yapılabiliyor.
İnsan gözlemcilerle iletişim, hareketler üzerinden sağlanıyor. Blaauw, “Özel bir bilgisayar talimatı tasarladık ki ölçülmüş sıcaklık gibi değeri robotun küçük bir dansındaki kıpırdanmalara kodluyor” diye kaydetti. “Sonra mikroskop kamerasıyla bu dansı izleyip kıpırdanmalardan robotların bize söylediklerini çözüyoruz” eklemesini yaptı. Bu yöntem, bal arılarının iletişimine benzetildi.
Her robot, belirli ışık darbeleriyle ayrı ayrı beslenip programlanabiliyor. Sürü içinde farklı robotlara özgü talimatlar verilebiliyor, koordineli görevlerde ayrı roller üstlenmeleri sağlanıyor. Miskin ve Blaauw, tasarımı başlangıç noktası olarak gördü. Mekanik sadelik, verimli elektronik ve ölçeklenebilir üretim kombinasyonu, dağıtık mikroskobik zeka gerektiren alanlarda geniş potansiyel taşıyor.
Nanmakineler, eskiden bilimkurgu hayaliyken artık gerçeğe yaklaşıyor. Pennsylvania ve Michigan üniversitelerinin ortak çalışması, hücre ölçeğinde çalışan makineleri mümkün kıldı. Robotların otonomluğu, bağsız ortamda duyusal ve hesaplama yetenekleriyle vurgulandı. Üretim maliyeti düşük tutulması, kitlesel kullanım için avantaj sağladı.
Bilimsel yayınlarda detaylandırılan sistem, iyon tabanlı itişle su moleküllerini yönlendiriyor. Bu sayede viskoz ortamda etkili hareket elde edildi. Koordinasyon kabiliyeti, sürü zekasını simüle ediyor. Dayanıklılık testlerinde numune transferleri sorunsuz gerçekleşti. LED beslemesiyle uzun süreli operasyon doğrulanmış durumda.
Entegrasyon sürecinde Blaauw grubu, güç kısıtlarını aştı. Düşük voltaj devreleri, nanowatt seviyesinde çalışmayı sağladı. Sensörler, biyolojik işaretleri algılayacak hassasiyette kalibre edildi. Fabrikasyon ölçeği, yüzlerce robotun eş zamanlı üretimini içeriyor. Programlama esnekliği, deneysel çeşitliliği artırıyor.
İletişim protokolü, dans benzeri hareketlerle veri kodlaması üzerine kurulu. Mikroskopik dekodlama, sıcaklık gibi verilerin aktarımını sağlıyor. Işık tabanlı bireysel programlama, sürü heterojenliğini mümkün kılıyor. Araştırmacılar, platformun genişletilebilirliğini vurguladı. Mikro ölçek robotik için yeni ufuklar açtığı belirtildi.
Çalışma, Science Robotics ve PNAS dergilerinde yayımlandı. Potansiyel uygulamalar, tıbbi izleme ve mikroyapı üretimini kapsıyor. Robotların hücre boyutunda gezinmesi, geleneksel robotik sınırlarını aşıyor. Gelecekteki geliştirmeler için temel altyapı oluşturuldu.
