Quasi invisibles à l'œil nu, ces nouveaux robots, vendus à un prix dérisoire, peuvent nager, mesurer la température et exécuter de minuscules programmes alimentés par la lumière. Les chercheurs affirment que cette première génération pourrait un jour permettre de surveiller des cellules individuelles et de construire des dispositifs microscopiques.
À peine plus gros qu'un grain de poussière et moins chers qu'un centime, une nouvelle génération de robots microscopiques peut nager, percevoir son environnement et exécuter de minuscules programmes informatiques — le tout de manière autonome.
Des chercheurs des universités de Pennsylvanie et du Michigan ont présenté ce qu'ils affirment être les plus petits robots entièrement programmables et autonomes au monde. Chaque machine mesure environ 0.2 x 0.3 x 0.05 millimètre, fonctionnant à l'échelle de nombreux micro-organismes et visible à l'œil nu.
Malgré leur taille, ces robots peuvent se déplacer selon des schémas complexes, voyager en groupes coordonnés, détecter les variations de température et adapter leur trajectoire en conséquence. Alimentés et contrôlés par la lumière, ils peuvent fonctionner pendant des mois dans l'eau et leur coût de fabrication est d'environ un centime l'unité, selon l'équipe.
Marc Miskin, professeur adjoint de génie électrique et des systèmes à Penn et auteur principal de deux études complémentaires, a déclaré que ces travaux propulsent la robotique dans un nouveau régime.
« Nous avons réduit la taille des robots autonomes d'un facteur 10 000 », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Cela ouvre la voie à une toute nouvelle échelle pour les robots programmables. »
Les robots sont décrits dans deux articles, dont un dans sciences Robotique qui se concentre sur leur informatique et leur détection intégrées, et une autre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences qui détaille comment ils se déplacent.
Les robots à l'échelle micrométrique sont depuis longtemps un objectif pour les scientifiques qui imaginent de minuscules machines capables de se déplacer dans le corps, de surveiller des cellules individuelles ou d'assembler des dispositifs microscopiques. Mais miniaturiser un robot n'est pas aussi simple que de miniaturiser une puce informatique. À très petite échelle, des forces comme la résistance de l'air et la viscosité prédominent, rendant le mouvement extrêmement difficile. Pendant des décennies, cet obstacle a freiné les progrès.
L'équipe de Miskin a abordé le problème du mouvement en repensant ce que signifie « nager » pour un robot à l'échelle microscopique. Au lieu de s'appuyer sur des pièces mobiles comme des hélices ou des pattes, les robots déplacent l'eau autour d'eux.
À cette échelle, dans l'eau, la résistance est si intense qu'elle équivaut à se frayer un chemin dans du goudron. Le système de propulsion de l'équipe contourne cet obstacle grâce à l'utilisation de champs électriques. Les robots génèrent un champ qui exerce une force sur les particules chargées, ou ions, présentes dans le liquide environnant. Ces ions repoussent alors les molécules d'eau voisines, créant ainsi une force suffisante pour faire avancer le robot. Il en résulte un système de propulsion sans pièces mécaniques mobiles, ce qui confère aux robots une grande robustesse et leur permet de nager pendant des mois.
Dans le même temps, l'équipe du Michigan, dirigée par les professeurs de génie électrique et informatique David Blaauw et Dennis Sylvester, repoussait les limites des ordinateurs miniatures, construisant des systèmes submillimétriques record capables de détecter et de calculer en utilisant des quantités d'énergie infimes.
« Nous avons constaté que le système de propulsion de Penn Engineering et nos minuscules ordinateurs étaient faits l'un pour l'autre », a déclaré Blaauw, auteur principal de l'étude publiée dans Science Robotics, dans le communiqué de presse.
Pour doter chaque robot d'un « cerveau » fonctionnel, l'équipe de Blaauw a dû travailler dans des conditions extrêmement contraignantes. L'ordinateur de bord consomme environ 75 nanowatts, soit près de 100 000 fois moins qu'une montre connectée. Pour capter cette infime quantité d'énergie, des panneaux solaires recouvrent la majeure partie de la surface du robot.
La puissance et la mémoire limitées ont contraint les chercheurs à repenser le fonctionnement du logiciel du robot.
« Nous avons dû repenser entièrement les instructions du programme informatique, en condensant ce qui nécessitait habituellement de nombreuses instructions pour le contrôle de la propulsion en une seule instruction spéciale afin de réduire la longueur du programme pour qu'il tienne dans la minuscule mémoire du robot », a ajouté Blaauw.
Les robots sont programmés et alimentés par des impulsions lumineuses. Chacun possède un identifiant unique, permettant ainsi à un chercheur de projeter une lumière structurée et de donner des instructions différentes à chaque robot au sein d'une même goutte d'eau. En principe, cela signifie qu'un essaim de robots pourrait se répartir une tâche, chaque unité assumant un rôle spécifique.
Dans l'étude publiée dans Science Robotics, l'équipe indique que ce premier lot de robots est équipé de capteurs de température capables de détecter des variations aussi infimes qu'un tiers de degré Celsius. Lors de tests en laboratoire, les robots ont pu se déplacer vers des zones plus chaudes ou transmettre des données de température, ce qui pourrait servir d'indicateur de l'activité cellulaire.
Pour transmettre des informations, les robots modifient leurs mouvements. Les chercheurs comparent ce phénomène à la « danse des abeilles », ce mouvement de vibration caractéristique utilisé par les abeilles pour communiquer. En ondulant selon des schémas précis, les robots peuvent encoder des messages simples sur ce qu'ils perçoivent.
L'équipe entrevoit de nombreuses applications potentielles. En médecine, des flottes de ces robots pourraient un jour surveiller la santé de cellules individuelles, suivre la réaction des tissus aux médicaments ou administrer des traitements avec une extrême précision. Dans le secteur industriel, ils pourraient contribuer à la fabrication ou à l'inspection de dispositifs micrométriques trop petits pour être manipulés par l'homme.
Les versions futures pourraient stocker des programmes plus complexes, se déplacer plus rapidement, intégrer des capteurs supplémentaires ou fonctionner dans des environnements plus exigeants que les simples liquides de laboratoire. Les robots actuels démontrent déjà qu'il est possible de combiner détection, calcul et mouvement à une échelle qui était inimaginable il y a encore quelques années.
« Ce n'est que le début », a ajouté Miskin. « Nous avons démontré qu'il est possible d'intégrer un cerveau, un capteur et un moteur dans un dispositif presque invisible, et de le faire fonctionner pendant des mois. Une fois cette base établie, on peut y ajouter toutes sortes d'intelligence et de fonctionnalités. Cela ouvre la voie à un avenir totalement nouveau pour la robotique à l'échelle micrométrique. »
Ce projet a réuni des experts en robotique, microélectronique et matériaux des universités de Pennsylvanie et du Michigan, avec le soutien de la National Science Foundation et de plusieurs autres agences et fondations. Les doctorants Maya Lassiter (Penn) et Jungho Lee (Michigan) sont co-premiers auteurs de cette publication.
Pour l'instant, les robots nagent uniquement dans des environnements de laboratoire soigneusement préparés. Mais à mesure que la technologie se perfectionne, expliquent les chercheurs, elle pourrait transformer la manière dont les scientifiques et les ingénieurs interagissent avec le monde microscopique : il ne s'agirait plus seulement de l'observer au microscope, mais d'envoyer de minuscules machines capables de percevoir, de réfléchir et d'agir de manière autonome.
Source: Université du Michigan