22 sept. 2022 (Actualités Nanowerk) Un effort collaboratif a permis d'installer des « cerveaux » électroniques sur des robots à énergie solaire mesurant entre 100 et 250 micromètres – plus petits qu'une tête de fourmi – afin qu'ils puissent marcher de manière autonome sans être contrôlés de l'extérieur. Alors que les chercheurs de Cornell et d’autres ont déjà développé des machines microscopiques capables de ramper, de nager, de marcher et de se replier, des « ficelles » étaient toujours attachées ; pour générer du mouvement, des fils étaient utilisés pour fournir du courant électrique ou des faisceaux laser devaient être focalisés directement sur des endroits spécifiques des robots. "Avant, nous devions littéralement manipuler ces 'chaînes' pour obtenir n'importe quel type de réponse du robot", a déclaré Itai Cohen, professeur de physique au Collège des Arts et des Sciences. « Mais maintenant que nous avons ces cerveaux à bord, c'est comme retirer les ficelles d'une marionnette. C'est comme lorsque Pinocchio prend conscience. Cette innovation ouvre la voie à une nouvelle génération d’appareils microscopiques capables de suivre les bactéries, de détecter les produits chimiques, de détruire les polluants, d’effectuer des interventions microchirurgicales et d’éliminer la plaque dentaire des artères. L'article de l'équipe publié dans sciences Robotique («Robots microscopiques avec commande numérique embarquée»). L'auteur principal est le chercheur postdoctoral Michael Reynolds, MS '17, Ph.D. '21.
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Le projet a réuni des chercheurs des laboratoires de Cohen, Alyosha Molnar, professeur agrégé de génie électrique et informatique à Cornell Engineering ; et Paul McEuen, professeur John A. Newman de sciences physiques (A&S), tous co-auteurs principaux de l'article. Le « cerveau » des nouveaux robots est un circuit d’horloge complémentaire à oxyde métallique (CMOS) qui contient un millier de transistors, ainsi qu’un ensemble de diodes, de résistances et de condensateurs. Le circuit CMOS intégré génère un signal qui produit une série de fréquences d'ondes carrées déphasées qui, à leur tour, déterminent la démarche du robot. Les jambes du robot sont des actionneurs à base de platine. Le circuit et les jambes sont alimentés par du photovoltaïque. « D’une certaine manière, l’électronique est très basique. Ce circuit d’horloge ne constitue pas un bond en avant dans la capacité des circuits », a déclaré Cohen. "Mais toute l'électronique doit être conçue pour être à très faible consommation, afin que nous n'ayons pas besoin d'installer d'énormes modules photovoltaïques pour alimenter le circuit." L'électronique de faible consommation a été rendue possible grâce aux recherches du groupe Molnar. Ancien chercheur postdoctoral Alejandro Cortese, Ph.D. '19, a travaillé avec Reynolds et a conçu le cerveau CMOS, qui a ensuite été construit par une fonderie commerciale, XFAB. Les circuits finis sont arrivés sur des tranches de silicium sur isolant de 8 pouces. Mesurant 15 microns de hauteur, chaque cerveau du robot – essentiellement aussi le corps du robot – était une « montagne » comparée à l'électronique qui tient normalement sur une plaquette plate, a déclaré Reynolds. Il a travaillé avec le Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) pour développer un processus complexe utilisant 13 couches de photolithographie pour graver les cerveaux dans une solution aqueuse et modeler les actionneurs pour fabriquer les jambes. Robots microscopiques autonomes. (A) Un robot microscopique à côté d’une fourmi. (B) Une vue agrandie du robot. Le robot est composé de trois éléments principaux : un circuit intégré pour contrôler le robot, des jambes pour permettre au robot de marcher et des PV pour alimenter les jambes et le circuit. (C) Image agrandie supplémentaire montrant une jambe du robot. Il est constitué de panneaux rigides de SiO2 et les SEA, charnières actives qui assurent le mouvement. (Image : Science Robotics) « L'un des éléments clés qui permettent cela est que nous utilisons des actionneurs à micro-échelle qui peuvent être contrôlés par de faibles tensions et courants », a déclaré Cortese, PDG d'OWiC Technologies, une société qu'il a fondée avec McEuen. et Molnar pour commercialiser des circuits intégrés optiques sans fil pour microcapteurs. "C'est vraiment la première fois que nous montrons que oui, vous pouvez intégrer cela directement dans un processus CMOS et faire en sorte que toutes ces étapes soient directement contrôlées par un seul circuit." L'équipe a créé trois robots pour démontrer l'intégration CMOS : un robot Purcell à deux pattes, nommé en hommage au physicien Edward Purcell, qui a proposé un modèle tout aussi simple pour expliquer les mouvements de nage des micro-organismes ; un fourmi à six pattes plus complexe, qui marche avec une démarche tripode alternée, comme celle d'un insecte ; et un dogbot à quatre pattes qui peut faire varier la vitesse à laquelle il marche grâce à un circuit modifié qui reçoit des commandes par impulsion laser. "À terme, la capacité de communiquer une commande nous permettra de donner des instructions au robot, et le cerveau interne déterminera comment les exécuter", a déclaré Cohen. «Ensuite, nous avons une conversation avec le robot. Le robot pourrait nous dire quelque chose sur son environnement, puis nous pourrions réagir en lui disant : « OK, va là-bas et essaie de comprendre ce qui se passe. » Les nouveaux robots sont environ 10,000 10 fois plus petits que les robots à grande échelle dotés d'un CMOS intégré. l'électronique, et ils peuvent marcher à des vitesses supérieures à XNUMX micromètres par seconde. Le processus de fabrication conçu par Reynolds, consistant essentiellement à personnaliser l'électronique construite en fonderie, a abouti à une plate-forme qui peut permettre à d'autres chercheurs d'équiper des robots microscopiques avec leurs propres applications – des détecteurs chimiques aux « yeux » photovoltaïques qui aident les robots à naviguer en détectant les changements de lumière. . "Ce que cela vous permet d'imaginer, ce sont des robots microscopiques vraiment complexes et hautement fonctionnels, dotés d'un haut degré de programmabilité, intégrés non seulement à des actionneurs, mais également à des capteurs", a déclaré Reynolds. « Nous sommes enthousiasmés par les applications en médecine – quelque chose qui pourrait se déplacer dans les tissus et identifier les bonnes cellules et tuer les mauvaises cellules – et dans l'assainissement de l'environnement, comme si vous aviez un robot capable de décomposer les polluants ou de détecter un produit chimique dangereux. et débarrassez-vous-en. En mai, l'équipe a intégré ses circuits d'horloge CMOS dans des cils artificiels également construits avec des actionneurs électriques à base de platine, pour manipuler le mouvement des fluides. « Ce qui est vraiment amusant, c'est que, tout comme nous n'avions jamais vraiment su à quoi servirait l'iPhone avant de le lancer dans le monde, ce que nous espérons, c'est que maintenant que nous avons montré la recette pour relier l'électronique CMOS à "En utilisant des membres d'actionnement robotisés, nous pouvons libérer cela et demander aux gens de concevoir des micropuces de faible puissance qui peuvent faire toutes sortes de choses", a déclaré Cohen.
