Der winzigste programmierbare Roboter der Welt ist kaum sichtbar – er denkt, misst und handelt autonom
Ein winziger Roboter, so klein, dass er kaum zu sehen ist, kann laut den Ingenieuren, die ihn gebaut haben, dennoch autonom 'sense, think, and act' ausführen. Nach dem besten Kenntnisstand des Teams ist dies der weltweit kleinste programmierbare Roboter, der sich autonom durch Flüssigkeiten bewegen kann und dabei das Volumen früherer Designs um das 10.000-fache reduziert. Die Forscher der Universität Pennsylvania und der University of Michigan, die das Gerät entwickelt haben, behaupten, dass bislang niemand einen echten Computer – ausgestattet mit Prozessor, Speicher, Sensoren und einem Antriebssystem – in eine so kleine Plattform eingebaut habe. Eine Sommersprosse wäre größer als dieses infinitesimale Gerät, das nicht größer ist als ein Salzkorn, und so klein, dass es auf dem Rand eines Fingerabdrucks balancieren kann. Tatsächlich ist es kaum sichtbar und misst nur 0,2 mal 0,3 Millimeter in der Breite und 0,05 Millimeter in der Dicke. Auf einer Pfennigmünze platziert, ist der Mikroroboter sogar kleiner als das eingedruckte Datum der Münze. Blink, and you might lose it. Das Design hat enormes Potenzial, trotz seiner winzigen Größe. Seine vollständig programmierbare Plattform (die nur funktioniert, wenn sie in Flüssigkeit eingetaucht ist) kann sich bewegen, wahrnehmen, handeln und berechnen – mit Solarzellen, die nur etwa 100 Nanowatt Leistung erzeugen. Es kann sogar die Temperatur der Flüssigkeit messen, in der es eingetaucht ist, und diese Messwerte durch einen kleinen 'dance' kommunizieren, ähnlich wie Honigbienen kommunizieren. "This is really just the first chapter," says nanorobotics engineer Marc Miskin from the University of Pennsylvania. "We've shown that you can put a brain, a sensor, and a motor into something almost too small to see, and have it survive and work for months. "Once you have that foundation, you can layer on all kinds of intelligence and functionality. It opens the door to a whole new future for robotics at the microscale." Bevor dies erreicht wurde, waren die kleinsten autonomen, programmierbaren Roboter mehr als ein Millimeter groß – eine Leistung, die vor über zwei Jahrzehnten erstmals erzielt wurde. Doch Versuche, die Robotik noch weiter zu verkleinern, scheiterten an der eigenen Physik des Mikrometermaßstabs, wo Kräfte wie Reibung und Viskosität die Gravitation und Trägheit ablösen. "If you're small enough, pushing on water is like pushing through tar," erklärt Miskin. Der Durchbruch wurde erzielt, indem zwei neue Entwicklungen zusammengeführt wurden: ein mikroskopischer Computer, entwickelt von Forschern der University of Michigan, und ein speziell konzipiertes Antriebssystem, entwickelt an der University of Pennsylvania. Das Antriebssystem beruht auf keinen beweglichen Teilen; der Mikroroboter hat keine gliedmaßenartigen Ausläufer, da diese schwer klein zu bauen und leicht zu brechen wären. Stattdessen arbeitet es, indem es ein elektrisches Feld erzeugt, das eine Molekülströmung um den Roboter herum erzeugt. "It's as if the robot is in a moving river, but the robot is also causing the river to move," says Miskin. Die Einführung eines Computers auf einer so winzigen Plattform erforderte ein vollständiges Umdenken von Computerprogrammierung und Halbleiter-Schaltungen, sagt David Blaauw, Computer Scientist an der University of Michigan. Das Ergebnis ist ein Mikroroboter, der fünf Jahre in der Entwicklung ist und sich mit anderen synchronisieren kann, wodurch komplexe, sich bewegende Gruppen entstehen, ähnlich Schulen von Fischen. Theoretisch könnten diese Gruppen weiterhin autonom Monate lang operieren, vorausgesetzt, sie werden durch LED-Licht auf ihren Solarzellen geladen. Die Forscher sind optimistisch, dass sie mit der Zeit, durch weitere Fortschritte, den onboard-Speicher ihrer rudimentären Roboter erhöhen können, um komplexere Programmierungen zu ermöglichen, die fortschrittlichere autonome Verhaltensweisen erzeugen. Vielleicht könnte eines Tages eine mikroskopische Vorrichtung wie diese zum Wächter der zellulären Gesundheit unseres Körpers werden. Aus kleinen Robotern wachsen große Möglichkeiten … Die Studie wurde in Science Robotics veröffentlicht.
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Weltweit kleinster autonomer, programmierbarer Roboter in Flüssigkeiten
Ein Mikroroboter, fünf Jahre in der Mache, kann sich mit anderen abstimmen und komplexe, sich bewegende Gruppen bilden, ähnlich Schulen von Fischen. Die Antriebe der Maschine funktionieren ohne bewegliche Teile; statische Glieder wären zu fragil. Die Erfindung kombiniert einen mikroskopischen Computer (University of Michigan) mit einem speziell entworfenen Antriebssystem (University of Pennsylvania). Die Forscher sind zuversichtlich, dass diese Plattform in Zukunft zu noch komplexeren autonomen Verhaltensweisen fähig sein wird. "This is really just the first chapter," says nanorobotics engineer Marc Miskin from the University of Pennsylvania. "We've shown that you can put a brain, a sensor, and a motor into something almost too small to see, and have it survive and work for months. "Once you have that foundation, you can layer on all kinds of intelligence and functionality. It opens the door to a whole new future for robotics at the microscale." Bevor bisher die kleinsten autonomen, programmierbaren Roboter größer als ein Millimeter waren – eine Errungenschaft, die vor mehr als zwei Jahrzehnten erstmals erzielt wurde – gab es Probleme, die Miniaturisierung weiter zu treiben. "If you're small enough, pushing on water is like pushing through tar," erklärt Miskin. Der Durchbruch kam durch die Kombination zweier jüngster Erfindungen: eines mikroskopischen Computers (University of Michigan) und eines speziell entworfenen Antriebssystems (University of Pennsylvania). Statt auf bewegliche Teile zu setzen, nutzt das System ein elektrisches Feld, das Molekülströme um den Körper herum erzeugt. "It's as if the robot is in a moving river, but the robot is also causing the river to move," sagt Miskin. Die Verbindung von Computertechnik und Nanorobotik erforderte neue Ansätze in der Programmierung und Halbleiterschemata, erklärt David Blaauw von der University of Michigan. Dieses in fünf Jahren entstandene Mikrorobot-System kann sich mit anderen synchronisieren und so komplexe, sich bewegende Gruppen bilden. Theoretisch könnten diese Gruppen Monate lang autonom bleiben, solange sie von LED-Licht auf ihren Solarzellen versorgt werden. Die Forscher hoffen, mit weiteren Fortschritten den onboard-Speicher zu erweitern und so fortschrittlichere autonome Verhaltensweisen zu ermöglichen. Vielleicht wird eines Tages auch so ein winziger Device zum Hüter der zellulären Gesundheit unseres Körpers. Aus kleinen Robotern wachsen große Möglichkeiten – weiter geht die Reise. Die Studie wurde in Science Robotics veröffentlicht.
Langzeitperspektiven: Gruppen Mikroroboter könnten Monate lang autonom arbeiten
Vielleicht könnten diese Gruppen weiterhin autonom Monate lang betrieben werden, vorausgesetzt, sie werden von LED-Licht auf ihren Solarzellen geladen. Die Forscher hoffen, dass sich das onboard-Speicherpotenzial in künftigen Iterationen erhöht, um komplexere Programmierungen und fortgeschrittene autonome Verhaltensweisen zu ermöglichen. Vielleicht könnte eines Tages ein mikroskopisches Gerät wie dieses zum Wächter der zellulären Gesundheit unseres Körpers werden. Die Studie wurde in Science Robotics veröffentlicht.
Ausblick und Veröffentlichung
Die Studie wurde in Science Robotics veröffentlicht.
