Robot Mikro Otonom Terkecil di Dunia:Perenang 200µm yang Beroperasi Selama Berbulan-bulan

INSIDER Robotika &Otomasi

Sebuah robot mikro seharga satu sen AS, menunjukkan skala. (Gambar:Michael Simari, Universitas Michigan)

Para peneliti di Universitas Pennsylvania dan Universitas Michigan telah menciptakan robot otonom terkecil di dunia yang dapat diprogram sepenuhnya:robot renang mikroskopis yang dapat merasakan dan merespons lingkungan sekitarnya secara mandiri, beroperasi selama berbulan-bulan, dan masing-masing hanya berharga satu sen. Hampir tidak terlihat dengan mata telanjang, setiap robot berukuran sekitar 200 kali 300 kali 50 mikrometer, lebih kecil dari sebutir garam. Beroperasi pada skala banyak mikroorganisme biologis, robot dapat memajukan pengobatan dengan memantau kesehatan sel individu dan manufaktur, dengan membantu membuat perangkat berskala mikro.

Didukung oleh cahaya, robot ini membawa komputer mikroskopis dan dapat diprogram untuk bergerak dalam pola yang kompleks, merasakan suhu lokal, dan menyesuaikan jalurnya.

Dijelaskan dalam Sains Robotika dan Prosiding National Academy of Sciences (PNAS) , robot ini beroperasi tanpa tambatan, medan magnet, atau kontrol seperti joystick dari luar, menjadikannya robot pertama yang benar-benar otonom dan dapat diprogram pada skala ini.

Selama beberapa dekade, peralatan elektronik semakin kecil, namun robot kesulitan untuk mengimbanginya. “Membangun robot yang beroperasi secara mandiri pada ukuran di bawah satu milimeter sangatlah sulit,” kata Miskin. “Lapangan ini pada dasarnya telah terjebak dalam masalah ini selama 40 tahun.”

Kekuatan yang mendominasi dunia manusia, seperti gravitasi dan inersia, bergantung pada volume. Namun, jika diperkecil hingga seukuran sel, maka gaya yang terkait dengan luas permukaan, seperti gaya hambat dan viskositas, akan mengambil alih. “Jika Anda cukup kecil, mendorong air seperti mendorong ter,” kata Miskin. Dengan kata lain, pada skala mikro, strategi yang menggerakkan robot yang lebih besar, seperti anggota tubuh, jarang berhasil. “Kaki dan lengan yang sangat kecil mudah patah,” kata Miskin. “Mereka juga sangat sulit untuk dibangun.” Jadi, tim harus merancang sistem propulsi yang benar-benar baru, sistem yang bekerja dengan — bukan melawan — fisika unik penggerak di dunia mikroskopis.

Makhluk air berukuran besar, seperti ikan, bergerak dengan mendorong air di belakangnya. Berkat Hukum Ketiga Newton, air memberikan gaya yang sama besar dan berlawanan arah pada ikan, sehingga mendorongnya maju. Sebaliknya, robot-robot baru tidak melenturkan tubuhnya sama sekali. Sebaliknya, mereka menghasilkan medan listrik yang mendorong ion-ion dalam larutan di sekitarnya. Ion-ion tersebut, pada gilirannya, mendorong molekul air di dekatnya, menggerakkan air di sekitar tubuh robot. “Robot ini seperti berada di sungai yang bergerak,” kata Miskin, “tetapi robot juga menyebabkan sungai tersebut bergerak.”

Robot dapat menyesuaikan medan listrik yang menyebabkan efek tersebut, sehingga memungkinkan mereka bergerak dalam pola yang kompleks dan bahkan melakukan perjalanan dalam kelompok yang terkoordinasi, seperti sekumpulan ikan, dengan kecepatan hingga satu panjang tubuh per detik.

Dan karena elektroda yang menghasilkan medan tidak memiliki bagian yang bergerak, robot ini sangat tahan lama. “Anda dapat berulang kali memindahkan robot-robot ini dari satu sampel ke sampel lainnya menggunakan mikropipet tanpa merusaknya,” kata Miskin. Diisi daya oleh cahaya LED, robot dapat terus berenang selama berbulan-bulan.

Agar bisa benar-benar otonom, robot membutuhkan komputer untuk mengambil keputusan, perangkat elektronik untuk merasakan lingkungan sekitar dan mengendalikan tenaga penggeraknya, serta panel surya kecil untuk memberi daya pada segala sesuatunya, dan semua itu harus dimasukkan ke dalam sebuah chip berukuran sepersekian milimeter. Di sinilah tim David Blaauw di Universitas Michigan mengambil tindakan.

Laboratorium Blaauw memegang rekor komputer terkecil di dunia. Ketika Miskin dan Blaauw pertama kali bertemu pada presentasi yang diselenggarakan oleh Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) lima tahun lalu, pasangan ini segera menyadari bahwa teknologi mereka sangat cocok. “Kami melihat bahwa sistem propulsi Penn Engineering dan komputer elektronik kecil kami dibuat untuk satu sama lain,” kata Blaauw. Namun, dibutuhkan kerja keras selama lima tahun dari kedua belah pihak untuk menghadirkan robot kerja pertama mereka.

“Tantangan utama dalam bidang elektronik,” kata Blaauw, “adalah panel surya berukuran kecil dan hanya menghasilkan daya sebesar 75 nanowatt. Jumlah tersebut 100.000 kali lebih kecil dibandingkan daya yang dikonsumsi oleh jam tangan pintar.” Untuk menjalankan komputer robot dengan daya yang sangat kecil, tim Michigan mengembangkan sirkuit khusus yang beroperasi pada tegangan sangat rendah dan menurunkan konsumsi daya komputer lebih dari 1000 kali lipat.

Meski begitu, panel surya menempati sebagian besar ruang pada robot. Oleh karena itu, tantangan kedua adalah menjejali prosesor dan memori untuk menyimpan program dalam sedikit ruang yang tersisa. “Kami harus benar-benar memikirkan ulang instruksi program komputer,” kata Blaauw, “dengan memadatkan instruksi konvensional yang memerlukan banyak instruksi untuk mengendalikan propulsi menjadi satu instruksi khusus untuk memperkecil panjang program agar sesuai dengan ruang memori robot yang kecil.”

Inovasi ini memungkinkan terciptanya robot sub-milimeter pertama yang benar-benar dapat berpikir. Sepengetahuan para peneliti, belum ada yang pernah memasang komputer sejati – prosesor, memori, dan sensor – ke dalam robot sekecil ini. Terobosan tersebut menjadikan perangkat ini robot mikroskopis pertama yang dapat merasakan dan bertindak sendiri.

Robot-robot tersebut memiliki sensor elektronik yang dapat mendeteksi suhu hingga sepertiga derajat Celcius. Hal ini memungkinkan robot bergerak menuju area dengan suhu yang meningkat atau melaporkan suhunya — yang merupakan proxy untuk aktivitas seluler — sehingga mereka dapat memantau kesehatan sel individual.

“Untuk melaporkan pengukuran suhunya, kami merancang instruksi komputer khusus yang mengkodekan suatu nilai, seperti suhu yang diukur, melalui gerakan tarian kecil yang dilakukan robot,” kata Blaauw. "Kami kemudian melihat tarian ini melalui mikroskop dengan kamera dan menguraikan apa yang dikatakan robot kepada kami melalui gerakannya. Ini sangat mirip dengan cara lebah madu berkomunikasi satu sama lain."

Robot-robot tersebut diprogram dengan gelombang cahaya yang juga memberi tenaga pada mereka. Setiap robot memiliki alamat unik yang memungkinkan peneliti memuat program berbeda pada masing-masing robot. “Hal ini membuka sejumlah kemungkinan,” tambah Blaauw, “setiap robot berpotensi melakukan peran berbeda dalam tugas gabungan yang lebih besar.”

Robot versi masa depan dapat menyimpan program yang lebih kompleks, bergerak lebih cepat, mengintegrasikan sensor baru, atau beroperasi di lingkungan yang lebih menantang. Intinya, desain saat ini adalah platform umum:sistem propulsinya bekerja secara mulus dengan perangkat elektronik, sirkuitnya dapat dibuat dengan harga murah dalam skala besar, dan desainnya memungkinkan penambahan kemampuan baru.

“Ini sebenarnya baru bab pertama,” kata Miskin. "Kami telah menunjukkan bahwa Anda dapat menempatkan otak, sensor, dan motor ke dalam sesuatu yang terlalu kecil untuk dilihat, dan membuatnya bertahan dan bekerja selama berbulan-bulan. Setelah Anda memiliki dasar tersebut, Anda dapat menerapkan semua jenis kecerdasan dan fungsi. Hal ini membuka pintu menuju masa depan baru bagi robotika pada skala mikro."

Sumber