Microrobots inteligentes aprendem a se comunicar e colaborar na água

Em um grande passo em direção a sistemas microbóticos inteligentes e colaborativos, pesquisadores do Centro de Pesquisa de Materiais, Arquiteturas e Integração de Nanomembranas (Principal) da Universidade de Tecnologia de Chemnitz desenvolveram uma nova geração de microrobôs autônomos – Smartlets, que pode se comunicar, responder e trabalhar juntos em ambientes aquosos.

Esses pequenos dispositivos, cada um milímetros de tamanho, são totalmente integrados a eletrônicos, sensores, atuadores e sistemas de energia. Eles são capazes de receber e transmitir sinais ópticos, responder a estímulos com movimento e trocar informações com outros microbots nas proximidades.

As descobertas são publicadas em Robótica científica.

Ao contrário das gerações anteriores de microbots que se baseavam em configurações de controle sem fio muito maiores para mitigar a funcionalidade limitada a bordo, os microrobôs Smartlet são alimentados por células fotovoltaicas integradas, controladas por pequenos microchips e capazes de comunicação óptica através de micro-ledes e fotodiodios incorporados.

“Pela primeira vez, demonstramos uma plataforma microbótica independente que não apenas detecta e se move na água, mas também interage com outros microbots de uma maneira totalmente programável e autônoma”, explica o Prof. Oliver G. Schmidt, um dos autores correspondentes do estudo e diretor científico da Main.

Os microrobotes são construídos usando uma abordagem flexível de inspiração origami, baseada em materiais padronizados de multicamadas inteligentes, permitindo que o sistema eletrônico plano rolasse e se dobrasse autonomamente em um pequeno cubo 3D inchado de rolagem de rolagem, com funcionalidade interior e externa. Isso abre o espaço de superfície extra necessário para cada cubo transportar seu próprio coletor de energia solar, lógica computacional e um sistema de sinalização óptica, além de interagir faces externas e locomoção interna.

Quando imersos em água, esses Smartlets podem subir e descer por forças de flutuabilidade criadas por motores geradores de bolhas que preenchem o interior oco do Smartlet com gás. Eles também podem emitir pulsos de sinais ópticos para transmitir instruções para outros Smartlets nas proximidades.

Essa configuração permite interações multi-robóticas na água, incluindo movimento, sincronização e coordenação acionada por estímulos entre vários smartlets. Por exemplo, quando uma unidade recebe um sinal de luz, ela pode decodificar as informações usando seu processador integrado, acionando um movimento ou comportamento coordenado em outros.

“A idéia de usar a luz como energia e informações abre uma maneira compacta e escalável de criar sistemas robóticos distribuídos”, acrescenta Dr. Vineeth Bandari, autor de co-correspondência e líder do grupo de pesquisa em Main.

Uma das principais inovações está no uso de um “loop de comunicação sem fio” dos Smartlets que não requer câmeras, ímãs ou antenas externos.

As mensagens ópticas são interpretadas localmente em cada robô usando a lógica codificada armazenada em seus microchips. Os Smartlets usam a ligação suave inovadora aos filmes de origami para anexar chiplets de silício microscópicos personalizados, chamados Lablets, que foram desenvolvidos em um projeto anterior liderado pelo Prof. Dr. John McCaskill, um autor co-correspondente e membro da Main. Isso permite controle e colaboração descentralizados – uma base essencial para a criação de coletivos robóticos que se comportam de maneira coordenada e flexível.

Além do laboratório, as aplicações potenciais de tais microbots são amplas. Por serem altos, biocompatíveis e capazes de responder a pistas ambientais, esses dispositivos poderiam um dia ajudar em tarefas como monitorar a qualidade da água, executar diagnósticos médicos minimamente invasivos ou sondando ambientes biológicos confinados.

Sua capacidade de formar colônias interativas e responsivas a estímulos também pode ser usada em robótica macia, sistemas de inspeção autônoma ou redes de sensor distribuídas.

Dr. Yeji Lee, co-autor e especialista em microfabricação ativa de várias camadas, cujo Ph.D. recentemente concluído. A pesquisa forneceu contribuições vitais, enfatiza que este trabalho é apenas o começo. “Estamos explorando maneiras de aumentar ainda mais a autonomia adicionando módulos de detecção química e acústica. Esses Smartlets podem evoluir para plataformas multifuncionais que sentem, agem e se adaptam em ambientes fluídicos complexos”.

No futuro, a equipe prevê a evolução progressiva desses microbots em sistemas dinâmicos que se assemelham a colônias de organismos digitais. Assim como os zooides em animais coloniais, como os sifonóforos, cada Smartlet pode servir uma função especializada – sensação, comunicação, movimento – e juntos formam um organismo robótico emergente.

“Ainda estamos longe de criar a vida artificial”, adverte o Prof. John McCaskill, que era diretor fundador do Centro Europeu de Tecnologia Viva em Veneza, “mas estamos começando a ver como a inteligência distribuída e o hardware modular podem construir sistemas que começam a refletir os comportamentos comunicativos e adaptativos dos coletivos vivos”.

Ao construir microbots comunicativos e independentes, a equipe Chemnitz não está apenas enfrentando desafios fundamentais na microrrobótica, mas também estabelece as bases para sistemas futuros que operam, evoluem e talvez até auto-organizam-as gotículas da água, os andaimes de tecidos ou os ecossistemas de miniatura.