Des scientifiques ont intégré un ordinateur dans un robot de la taille d’un grain de sel

En résumé

• Des chercheurs ont construit des robots autonomes de la taille d’un grain de sel qui nagent, détectent la température et fonctionnent de manière indépendante pendant des mois.
• Les robots utilisent des champs électriques au lieu de pièces mobiles.
• Ce sont les premiers robots de moins d’un millimètre avec des ordinateurs intégrés, coûtant un centime chacun à fabriquer.

Des chercheurs viennent de réduire la taille de robots autonomes à celle d’une poussière. Et ces robots peuvent penser—en quelque sorte. Une équipe de l’Université de Pennsylvanie et de l’Université du Michigan a construit des machines microscopiques—200 par 300 par 50 micromètres, la taille d’un grain de sel—qui nagent dans un liquide, détectent les variations de température, prennent des décisions par eux-mêmes, et fonctionnent pendant des mois. Chacun coûte environ un cent à produire. Ces petits robots sont entièrement autonomes. Pas de fils, pas de champs magnétiques, pas de joystick extérieur. Juste un tout petit ordinateur, des capteurs, et un système de propulsion intégrés dans quelque chose d’à peine visible à l’œil nu. 

« Nous avons créé des robots autonomes 10 000 fois plus petits », a déclaré Marc Miskin, professeur assistant à Penn Engineering, à Science Daily. « Cela ouvre une toute nouvelle échelle pour les robots programmables. » Cette avancée répond à un problème qui bloque la robotique depuis 40 ans : comment construire des machines qui fonctionnent de manière indépendante en dessous d’un millimètre. L’électronique ne cesse de rétrécir, mais les robots non. La physique à cette échelle est brutale—Miskin explique que pousser dans l’eau ressemble à pousser dans de la poix, et de petits bras ou jambes se cassent simplement. Alors, l’équipe a complètement abandonné les conceptions conventionnelles. Au lieu de plier ou de fléchir des membres, ces robots génèrent un champ électrique qui pousse des particules chargées dans le liquide environnant. Ces ions entraînent avec eux des molécules d’eau, créant ainsi un mouvement.

Une projection en accéléré des trajectoires de particules traceuses près d’un robot composé de trois moteurs reliés ensemble. (Crédit : Lucas Hanson et William Reinhardt, Université de Pennsylvanie)

Cette approche fonctionne parce qu’elle n’a pas de pièces mobiles. Les électrodes sont suffisamment durables pour être transférées à plusieurs reprises entre des échantillons avec une micropipette sans endommagement. Alimentées par une lumière LED, elles continuent de nager pendant des mois.

Les minuscules panneaux solaires qui alimentent ces robots produisent seulement 75 nanowatts. Pour faire fonctionner cela, Michigan a conçu des circuits fonctionnant à des tensions extrêmement faibles, réduisant la consommation de plus de 1 000 fois. Ils ont aussi dû repenser complètement la façon dont fonctionne le logiciel, en condensant ce qui nécessiterait normalement de nombreuses instructions en commandes uniques et spécialisées qui tiennent dans une mémoire microscopique. Le résultat : le premier robot de moins d’un millimètre avec un ordinateur complet. Processeur, mémoire, capteurs—tout le package. Personne n’a fait cela auparavant à cette échelle.

Un microrobot, entièrement intégré avec des capteurs et un ordinateur, suffisamment petit pour tenir sur la crête d’une empreinte digitale. Crédit : Marc Miskin, Université de Pennsylvanie (Encadré : Un microrobot sur une pièce de penny américaine, montrant l’échelle. Crédit : Michael Simari, Université du Michigan)

Ces robots peuvent détecter la température avec une précision d’un tiers de degré Celsius—six dixièmes de degré Fahrenheit pour les amateurs du système impérial. Ils peuvent se déplacer vers des régions plus chaudes ou rapporter des valeurs de température qui servent de proxies pour l’activité cellulaire—potentiellement en surveillant des cellules individuelles. Pour communiquer leurs mesures, les chercheurs ont conçu une instruction spéciale qui encode les données dans les « ondulations » d’une petite danse que le robot exécute. Les scientifiques observent au microscope et décodent le message. C’est comme la communication des abeilles, a expliqué le professeur d’ingénierie électrique et informatique de l’Université du Michigan, David Blaauw. Les robots sont programmés via des impulsions lumineuses qui les alimentent aussi. Chacun possède une adresse unique, permettant aux chercheurs de charger différents programmes sur différentes unités. Ils peuvent fonctionner de manière indépendante ou en groupe, se déplaçant en motifs comme des bancs de poissons à des vitesses pouvant atteindre une longueur de corps par seconde. Les versions futures pourraient stocker des programmes plus complexes, intégrer de nouveaux capteurs, ou fonctionner dans des environnements plus hostiles. La conception actuelle est une plateforme—son système de propulsion fonctionne avec une électronique qui peut être fabriquée à faible coût à grande échelle. « Ce n’est vraiment que le premier chapitre », a déclaré Miskin. « Nous avons montré qu’on peut mettre un cerveau, un capteur, et un moteur dans quelque chose d’à peine visible, et qu’il peut survivre et fonctionner pendant des mois. » « Une fois cette base posée », a-t-il ajouté, « vous pouvez ajouter toutes sortes d’intelligence et de fonctionnalités. »