世界最小の自律型マイクロロボット:数か月間稼働する200μmのスイマー

ロボティクスとオートメーション インサイダー

スケールを示す米国ペニー硬貨のマイクロロボット。 (画像:ミシガン大学マイケル・シマリ)

ペンシルベニア大学とミシガン大学の研究者らは、世界最小の完全にプログラム可能な自律型ロボットを開発した。これは、周囲の環境を独立して感知して反応することができ、数か月動作し、1台あたりのコストはわずか1ペニーの極小の水泳マシンだ。肉眼ではかろうじて見える程度の各ロボットのサイズは約 200 × 300 × 50 マイクロメートルで、塩粒よりも小さいです。多くの生物学的微生物の規模で動作するこのロボットは、個々の細胞の健康状態を監視したり、マイクロスケールのデバイスの構築を支援したりすることで医療を進歩させることができます。

光を動力源とするロボットは、極小のコンピュータを搭載しており、複雑なパターンで移動し、局所的な温度を感知し、それに応じて経路を調整するようにプログラムできます。

サイエンス ロボティクスと米国科学アカデミー (PNAS) の論文集に記載されています。 ロボットは、テザー、磁場、外部からのジョイスティックのような制御なしで動作するため、この規模では初めての真に自律的なプログラム可能なロボットになります。

何十年もの間、エレクトロニクスはますます小型化してきましたが、ロボットはそのペースに追いつくのに苦労しています。 「1ミリメートル以下のサイズで独立して動作するロボットを構築するのは非常に困難です」とミスキン氏は言う。 「この分野は実質的に 40 年間、この問題に取り組んできました。」

重力や慣性など、人間の世界を支配する力は体積に依存します。ただし、細胞のサイズまで縮小すると、抗力や粘性など、表面積に関連付けられた力が引き継ぎます。 「体が小さい場合、水を押すことはタールを押し進めるようなものです」とミスキン氏は言う。言い換えれば、ミクロスケールでは、手足のような大きなロボットを動かす戦略はほとんど成功しません。 「非常に小さな脚や腕は壊れやすいのです」とミスキン氏は言います。 「それらを構築するのも非常に困難です。」そのため、チームは、微視的な領域における移動の独特の物理学に反するのではなく、協力して機能する、まったく新しい推進システムを設計する必要がありました。

魚などの大きな水生生物は、水を後ろに押して移動します。ニュートンの第 3 法則のおかげで、水は魚に同じ反対の力を及ぼし、魚を前進させます。対照的に、新しいロボットは体をまったく曲げません。むしろ、周囲の溶液中のイオンを少しずつ動かす電場を生成します。これらのイオンは次に近くの水の分子を押し、ロボットの体の周りの水を活気づけます。 「あたかもロボットが動いている川の中にいるようなものです」とミスキンは言います。「しかし、ロボットは川を動かしてもいます。」

ロボットは効果を引き起こす電場を調整することができ、複雑なパターンで移動したり、魚の群れのように調整されたグループで 1 秒あたり最大 1 体長の速度で移動したりすることもできます。

また、場を生成する電極には可動部品がないため、ロボットは非常に耐久性があります。 「これらのロボットは、マイクロピペットを使用して、損傷することなく、あるサンプルから別のサンプルに繰り返し移すことができます」とミスキン氏は言います。 LED の光によって充電されるロボットは、何ヶ月も続けて泳ぎ続けることができます。

ロボットが真に自律的であるためには、意思決定を行うためのコンピューター、周囲を感知して推進力を制御するためのエレクトロニクス、すべてに電力を供給するための小さなソーラーパネルが必要であり、それらすべてが数ミリメートルのサイズのチップに収まる必要があります。ここで、ミシガン大学の David Blaauw のチームが活躍しました。

ブラウの研究室は世界最小のコンピューターの記録を保持しています。 5年前、ミスキン氏とブラウ氏が国防高等研究計画局（DARPA）主催のプレゼンテーションで初めて会ったとき、二人はすぐに自分たちの技術が完璧にマッチしていることに気づいた。 「ペン・エンジニアリング社の推進システムと当社の小型電子コンピューターがまさにお互いのために作られたものであることがわかりました」とブラウ氏は語った。それでも、最初に動くロボットを完成させるまでには、双方の努力が 5 年かかりました。

「エレクトロニクスにとっての重要な課題は、ソーラーパネルが小さく、わずか75ナノワットの電力を生成することです。これは、スマートウォッチが消費する電力の10万分の1以上です。」とブラウ氏は述べた。このような少ない電力でロボットのコンピュータを実行するために、ミシガン州のチームは、非常に低い電圧で動作し、コンピュータの消費電力を 1000 分の 1 以上削減する特別な回路を開発しました。

それでも、ソーラーパネルはロボット上のスペースの大部分を占めています。したがって、2 番目の課題は、残ったわずかなスペースにプログラムを保存するためにプロセッサとメモリを詰め込むことでした。 「コンピューター プログラムの命令を完全に再考する必要がありました。従来は推進制御に多くの命令が必要であったものを、単一の特別な命令に凝縮して、ロボットの小さなメモリ空間に収まるようにプログラムの長さを縮小しました。」

とブラウ氏は述べています。

これらのイノベーションによって可能になったのは、実際に考えることができる初のサブミリメートルロボットです。研究者の知る限り、プロセッサ、メモリ、センサーなどの真のコンピュータをこれほど小さなロボットに組み込んだ人はこれまで誰もいません。この画期的な進歩により、これらのデバイスは、自ら感知して行動できる初の超小型ロボットとなりました。

ロボットには、摂氏 3 分の 1 度以内の温度を検出できる電子センサーが搭載されています。これにより、ロボットは温度が上昇している領域に向かって移動したり、細胞活動の代理として温度を報告したりして、個々の細胞の健康状態を監視できるようになります。

「温度測定値を報告するために、ロボットが踊る小さなダンスの動きの中に測定温度などの値をエンコードする特別なコンピューター命令を設計しました」とブラウ氏は言います。 「その後、カメラを備えた顕微鏡を通してこのダンスを観察し、その動きからロボットが私たちに何を言っているかを解読します。これはミツバチが互いにコミュニケーションする方法と非常によく似ています。」

ロボットは、電力を供給する光パルスによってプログラムされます。各ロボットには固有のアドレスがあり、研究者はそれぞれのロボットに異なるプログラムをロードできます。 「これにより、多くの可能性が開かれます」とブラウ氏は付け加えました。「各ロボットが、より大きな共同作業において異なる役割を実行する可能性があります。」

ロボットの将来のバージョンでは、より複雑なプログラムを保存し、より高速に動作し、新しいセンサーを統合し、より困難な環境で動作する可能性があります。本質的に、現在の設計は汎用プラットフォームです。推進システムは電子機器とシームレスに連携し、回路は大規模かつ安価に製造でき、新しい機能を追加できる設計になっています。

「これは本当に最初の章にすぎません」とミスキン氏は言う。 「私たちは、ほとんど目に見えないほど小さなものに脳、センサー、モーターを組み込むことができ、それが何か月も生き続けて機能することを証明しました。その基盤があれば、あらゆる種類の知能や機能を重ねることができます。これにより、マイクロスケールでのロボット工学のまったく新しい未来への扉が開かれます。」

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