Hücre boyutundaki robotlar, dışarıdan kontrol olmaksızın algılayabilir, karar verebilir ve hareket edebilir

Hücre boyutundaki robotlar, dışarıdan kontrol olmaksızın algılayabilir, karar verebilir ve hareket edebilir

Gelecek şimdi... ve çok küçük.

Özetle

• Araştırmacılar, yaklaşık bir paramesyum büyüklüğünde, 210-340 mikrometre genişliğinde, üzerinde bilgisayar, sensörler, bellek ve itme sistemleri bulunan otonom robotlar geliştirdi.

• Mikrorobotlar, sıcaklığı ölçebiliyor, sensör verilerine dayanarak kararlar alabiliyor ve herhangi bir dış kontrol olmadan daha sıcak bölgelere doğru ilerleyebiliyor; tüm bunları bir canlı hücrenin kullandığı enerjiyle gerçekleştiriyorlar.

• Yaklaşık 100 robot, parmak ucundan daha küçük bir çipe sığabiliyor ve standart yarı iletken üretim süreçleri kullanılarak üretiliyor; tahmini üretim maliyeti robot başına yaklaşık bir kuruş.

• Cihazlar, değişen sıcaklık gradyanlarına yanıt olarak hareketlerini otonom olarak uyarlama yeteneğini gösterdi ve ölçüm verilerini hareket desenlerine kodlayarak araştırmacılara geri iletti.

Tek hücreli bir organizma büyüklüğündeki robotlar artık çevrelerini algılayabiliyor, kararlar alabiliyor ve herhangi bir dış yardım olmadan bu kararları uygulayabiliyor. Pennsylvania Üniversitesi ve Michigan Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, üzerinde bilgisayar, sıcaklık sensörleri, bellek, iletişim sistemleri ve itme sistemleri bulunan, sadece 210 ila 340 mikrometre genişliğinde (yaklaşık bir paramesyum veya yan yana konmuş iki insan saçı büyüklüğünde) mikroskobik makineler yarattı.

Science Robotics dergisinde yayınlanan çalışma, bu kadar mikroskobik boyutta tamamen entegre, göreve özel yerleşik bilgisayar, çevresel sensörler ve hareket sistemlerinin ilk kez gösterildiği bir örneği temsil ediyor. Robotlar harici kontrol olmadan çalışıyor. Bu cihazlar yaklaşık 100 nanowatt güçle çalışıyor; bu da birçok canlı hücrenin enerji bütçesiyle aynı seviyede.

Hücresel ölçekte robot yapma girişimleri, araştırmacıları temel yeteneklerden ödün vermeye zorlamıştı. Çoğu mikro robot ya manyetik bobinler gibi harici ekipmanlara bağımlıydı, ya da üretim sırasında önceden kodlanmış davranışları uygulayabiliyordu veya çevrelerini algılama ve bunlara tepki verme yeteneğinden yoksundu. Bu yeni mikro robotlar bu üç sınırlamanın da üstesinden geliyor.

Bilgisayar Çipleri Gibi Üretilmiş, Hücreler Kadar Küçük

Araştırma ekibi, mikro robotlarını bilgisayar çiplerini üretmek için kullanılan aynı yarı iletken süreçlerini kullanarak üretti. Tek bir milimetre ölçekli çipe yaklaşık 100 robot sığabiliyor ve bu çip eldivenli bir parmak ucuna yerleştirilebiliyor. Her bir robot, küçük bir işlemci, ışıktan enerji elde etmek için güneş pilleri, sıcaklık sensörleri, hareketi kontrol etmek için devreler, bellek ve kablosuz programlama için optik bir alıcı içeriyor.

Hücresel boyutlarda çalışırken güç, en önemli kısıtlamayı oluşturuyor. Canlı hücreler, nanowatt seviyelerinde enerjiyi verimli bir şekilde toplamak ve kullanmak için moleküler mekanizmalar geliştirmiştir. Araştırma ekibi bu biyolojik verimliliğe ulaşmak zorunda kaldı. İşlemci tek başına robotun 100 nanowatt'lık güç bütçesinin neredeyse %90'ını tüketiyor ve vücudunun yaklaşık %25'ini kaplıyor.

Bu hücresel ölçekteki güç sınırları içinde çalışmak için araştırmacılar, robot eylemlerini özel talimatlara sıkıştıran özel bir bilgisayar mimarisi tasarladı. "Çevreyi algıla" veya "N döngü boyunca hareket et" gibi komutlar tek bir işlem gibi görünecek şekilde yürütülüyor. Bu sıkıştırma, sadece birkaç yüz bit bellek ile anlamlı görevlerin mümkün olmasını sağlıyor.

Sıcaklık Takibi ve Navigasyon

Robotlar, tek hücreli organizmaların çevrelerinde nasıl gezindiklerini yansıtan deneylerle otonom yeteneklerini sergilediler. Bir testte, mikro robotlar çevre sıcaklığını sürekli olarak ölçtüler, okumaları dijital verilere dönüştürdüler ve bilgileri hareket kalıplarına kodlayarak sonuçları bir baz istasyonuna ilettiler.

Yavaş yavaş ısınan bir çözeltide test edildiğinde, robotların ölçümleri standart sıcaklık problarının ölçümleriyle eşleşti. Sensörler, mikroskobik boyutlarına rağmen yaklaşık 0,2 derece doğrulukla 0,3 derece Celsius çözünürlük elde etti. Bu performans, benzer hacimdeki mevcut dijital termometrelerin çoğunu geride bırakmaktadır.

İkinci deney, robotların taksi, yani birçok mikroorganizmayı karakterize eden çevresel uyaranlara doğru veya onlardan uzaklaşma yönlü hareket sergileyip sergileyemeyeceklerini test etti. Araştırmacılar, sıcaklık düştüğünde daha sıcak bölgeleri aramaları ve sıcaklığı bulduklarında konumlarını korumaları için mikro robotları programladılar.

Sonuçlar, gerçek zamanlı sensör girdisiyle yönlendirilen duyarlı davranışlar gösterdi. Robotlar başlangıçta uygulanan bir gradyan olmadan yerlerinde döndüler. Araştırmacılar yerel alanı soğuttuğunda, robotlar otomatik olarak keşif hareketlerine geçtiler ve daha sıcak bölgeleri bulana kadar çevrelerinde hareket ettiler, ardından sabit dönüşe geri döndüler. Sıcaklık gradyanını tersine çevirmek, robotların yönlerini tersine çevirmesine neden oldu. Bu, sabit bir hareket senaryosuna değil, canlı çevresel değişikliklere verilen tepkileri gösterdi.

Hücresel ölçeklerde hareket etmek, standart robotiklerden farklı yaklaşımlar gerektirir. Robotlar, sıvıya batırılmış haldeyken zıt yüklü platin elektrotlar arasında akım geçirerek elektrokinetik itme kullanırlar. Robotu çevreleyen hareketli iyonlar bu elektrik alanına tepki verir. İyonlar sıvıyı sürükleyerek, makineyi saniyede 3 ila 5 mikrometre hızla ileri doğru iten bir akış oluşturur. Robotlar, hangi elektrotların aktif olduğunu değiştirerek farklı yönlerde hareket edebilir veya dönebilir.

Işık Tabanlı Programlama

Hücre boyutundaki robotlara talimat vermek için kablosuz çözümler gerekiyordu. Ekip, cihazlara hem güç sağlamak hem de programlamak için ışık yayan diyotlar kullanan optik bir iletişim sistemi geliştirdi. Bir LED dalga boyu, güneş pillerinin elektriğe dönüştürdüğü enerjiyi sağlar. İkinci bir dalga boyu, robotların ikili talimatlar olarak yorumladığı ve yerleşik belleğe yazdığı yanıp sönen desenlerle veri iletir.

Grafiksel bir kullanıcı arayüzü, tüm programlama sürecini otomatikleştirir. Araştırmacılar, düşük seviyeli bellenim kodu yazmadan robot davranışlarını tanımlayabilirler. Sistem, temel işlevleri yapılandırmak için başlatma programları veya işlemleri tanımlayan görev programları gönderebilir. Talimatlar yüklendikten sonra, robotlar dahili programlarına ve sensör okumalarına göre tamamen otonom olarak çalışır.

Rastgele ışık dalgalanmalarının robot davranışını yanlışlıkla değiştirmesini önlemek için, iletişim protokolü parola dizileri gerektirir. Her robot, tüm cihazlar için ortak olan küresel bir şifreyi ve belirli alt kümeleri hedeflemek için türe özgü bir kodu tanır. Bu, araştırmacıların farklı robotlara farklı talimatlar vermesini sağlar; tıpkı çok hücreli bir organizmadaki hücrelerin farklı kimyasal sinyallere yanıt vermesi gibi.

Potansiyel Tıbbi Uygulamalar ve Gelecekteki Geliştirmeler

Robotların sıcaklığı algılama, işleme ve yanıt verme yeteneği, biyolojik araştırmalar ve tıbbi teşhis alanlarında gelecekteki uygulamaları destekleyebilir. Hücresel ölçeklerde çalışan bu robotlar, daha büyük sensörlerin yapamayacağı şekillerde termal gradyanları inceler ve geleneksel aletlerin yetersiz kaldığı mikroakışkan odalarına veya kılcal tüplere sığar.

Cihazlar, sulu ortamlarını hedef dokuların yakınına yerleştirerek ve ortamlar arasında ısı akışına izin vererek canlı sistemlerle potansiyel olarak etkileşime girebilir. Doğrudan fiziksel temas olmadan sıcaklığı okumak, birçok implante edilebilir sensörü etkileyen biyolojik uyumluluk sorunlarını ortadan kaldırır. Mevcut çalışma, bu yetenekleri canlı organizmalarda değil, kontrollü laboratuvar koşullarında göstermektedir.

Yazarlar, üretim ölçeğinde her robotun maliyetinin yaklaşık bir kuruş olacağını tahmin ediyor. Özel laboratuvar ekipmanları yerine yalnızca kontrol edilebilir ışık kaynakları gerektiren basit programlama sistemiyle birleştiğinde, bu düşük maliyet, hücresel ölçekteki otonom robotik teknolojisini iyi finanse edilen araştırma kurumlarının ötesine taşıyabilir.

Araştırma ekibi, daha gelişmiş uygulamalar için vücut içi çalışma için yeni aktüatörler veya daha iyi güç aktarım yöntemleri gibi iyileştirmelere ihtiyaç duyulacağını belirtiyor. Daha gelişmiş yarı iletken süreçlerine geçmek, yerleşik belleği yaklaşık 100 kat artırarak binlerce satır koda yaklaşan programlara olanak tanıyacak ve daha gelişmiş karar verme süreçlerini destekleyecektir.

Onlarca yıldır robot bilimciler, robotları daha basit cihazlardan ayıran temel özellikleri (yerleşik algılama, programlanabilir hesaplama ve bağımsız karar verme) koruyarak otonom makineleri küçültmek için çalışıyorlar. Bu mikro robotlar, yaşamın hücresel yapı taşlarıyla bir arada var olabilecek boyutlarda bu üç özelliği de başarıyor.

Makale Notları

Sınırlamalar

Mevcut robotlar, mikroskobik ölçeklerinden kaynaklanan çeşitli kısıtlamalarla karşı karşıyadır. Üretim için kullanılan 55 nanometre CMOS işlemindeki kaçak akımlar nedeniyle bellek birkaç yüz bit ile sınırlıdır. İtme hızı, çalışma voltajı elektrokinetik itme için optimum aralığın altında kaldığı için saniyede 3-5 mikrometre gibi nispeten yavaş kalmaktadır. Robotlar, özellikle yapılan deneylerde 5 milimolar hidrojen peroksit çözeltisi olmak üzere, sıvı ortamlarda çalışmayı gerektirir. Sıcaklık algılama, tam olarak gösterilen tek sensör modudur, ancak tasarımda yayınlanan çalışmada kapsamlı bir şekilde karakterize edilmemiş bir elektrik alan sensörü de bulunmaktadır. Optik iletişim ve güç sistemi, metrekare başına 200 ila 2.600 watt arasında kontrollü aydınlatma gerektirir. Canlı organizmaların içinde çalışma henüz gösterilmemiştir.

Kaynak: SF