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Pequeños robots impulsados por vibración son del tamaño de la hormiga más pequeña del mundo

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Los enjambres de estos'micro-bristle-bots' podrían trabajar juntos para sentir los cambios ambientales, mover materiales - o tal vez algún día reparar lesiones dentro del cuerpo humano

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Los investigadores han creado un nuevo tipo de robot diminuto impreso en 3D que se mueve aprovechando la vibración de los actuadores piezoeléctricos, fuentes de ultrasonido o incluso pequeños altavoces. Los enjambres de estos'micro-bristle-bots' podrían trabajar juntos para sentir los cambios ambientales, mover materiales - o tal vez algún día reparar lesiones dentro del cuerpo humano.

Los robots prototipo responden a diferentes frecuencias de vibración dependiendo de sus configuraciones, permitiendo a los investigadores controlar robots individuales ajustando la vibración. Aproximadamente dos milímetros de largo -alrededor del tamaño de la hormiga más pequeña del mundo- los bots pueden cubrir cuatro veces su propia longitud en un segundo a pesar de las limitaciones físicas de su pequeño tamaño.

"Estamos trabajando para que la tecnología sea robusta, y tenemos muchas aplicaciones potenciales en mente", dijo Azadeh Ansari, profesor asistente de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto de Tecnología de Georgia. "Estamos trabajando en la intersección de la mecánica, la electrónica, la biología y la física. Es un área muy rica y hay mucho espacio para conceptos multidisciplinarios"

Se ha aceptado la publicación en el Journal of Micromechanics and Microengineering de un artículo en el que se describen los robots de cerdas microscópicas. La investigación fue apoyada por una subvención inicial del Instituto de Electrónica y Nanotecnología de Georgia Tech. Además de Ansari, el equipo de investigación incluye a George W. Woodruff School of Mechanical Engineering Associate Professor Jun Ueda y a los estudiantes de postgrado DeaGyu Kim y Zhijian (Chris) Hao.

Los micro-bristle-bots consisten en un actuador piezoeléctrico pegado a un cuerpo de polímero que se imprime en 3D utilizando una litografía de polimerización de dos fotones (TPP). El actuador genera vibración y es alimentado externamente porque ninguna batería es lo suficientemente pequeña como para caber en el bot. Las vibraciones también pueden provenir de un agitador piezoeléctrico debajo de la superficie sobre la que se mueven los robots, de una fuente de ultrasonido/sonido, o incluso de un pequeño altavoz acústico.

Las vibraciones mueven las piernas elásticas hacia arriba y hacia abajo, impulsando el micro-bot hacia adelante. Cada robot puede ser diseñado para responder a diferentes frecuencias de vibración dependiendo del tamaño de la pata, diámetro, diseño y geometría general. La amplitud de las vibraciones controla la velocidad a la que se mueven los micro-bots.

"A medida que los robots de cerdas se mueven hacia arriba y hacia abajo, el movimiento vertical se traduce en un movimiento direccional al optimizar el diseño de las piernas, que parecen cerdas", explicó Ansari. "Las patas del micro robot están diseñadas con ángulos específicos que les permiten doblarse y moverse en una dirección en respuesta resonante a la vibración."

Los micro-bristle-bots se realizan en una impresora 3D utilizando el proceso TPP, una técnica que polimeriza un material de resina monómero. Una vez que la parte del bloque de resina golpeada por la luz ultravioleta se ha desarrollado químicamente, el resto puede ser lavado, dejando la estructura robótica deseada.

"Se trata de escribir en lugar de la litografía tradicional", explicó Ansari. "Te quedas con la estructura que escribes con un láser sobre el material de resina. El proceso ahora toma bastante tiempo, así que estamos buscando formas de escalarlo para hacer cientos o miles de micro-bots a la vez" Algunos de los robots tienen cuatro patas, mientras que otros tienen seis. El primer autor, DeaGyu Kim, realizó cientos de pequeñas estructuras para determinar la configuración ideal.

Los actuadores piezoeléctricos, que utilizan el material titanato de circonato de plomo (PZT), vibran cuando se les aplica tensión eléctrica. A la inversa, también se pueden utilizar para generar una tensión, cuando vibran, una capacidad que los robots de microcerdas podrían utilizar para alimentar los sensores a bordo cuando son accionados por vibraciones externas.

Ansari y su equipo están trabajando para añadir capacidad de dirección a los robots mediante la unión de dos robots de microcerdas ligeramente diferentes. Debido a que cada uno de los micro-bots unidos respondería a diferentes frecuencias de vibración, la combinación podría ser dirigida variando las frecuencias y amplitudes. "Una vez que se tiene un micro robot completamente dirigible, se puede imaginar hacer muchas cosas interesantes", dijo.

Otros investigadores han trabajado en microrobots que usan campos magnéticos para producir movimiento, anotó Ansari. Aunque esto es útil para mover enjambres enteros a la vez, las fuerzas magnéticas no se pueden utilizar fácilmente para tratar robots individuales dentro de un enjambre. Se cree que los robots de cerdas microscópicas creados por Ansari y su equipo son los robots más pequeños impulsados por vibración.

Los micro-bristle-bots tienen aproximadamente dos milímetros de largo, 1.8 milímetros de ancho y 0.8 milímetros de espesor, y pesan aproximadamente cinco miligramos. La impresora 3D puede producir robots más pequeños, pero con una masa reducida, las fuerzas de adhesión entre los pequeños dispositivos y una superficie pueden llegar a ser muy grandes. A veces, los micro-bots no pueden separarse de las pinzas que se utilizan para recogerlos.

Ansari y su equipo han construido un "patio de recreo" en el que múltiples micro-bots pueden moverse a medida que los investigadores aprenden más sobre lo que pueden hacer. También están interesados en desarrollar micro-bots que puedan saltar y nadar.

"Podemos observar el comportamiento colectivo de las hormigas, por ejemplo, y aplicar lo que aprendemos de ellas a nuestros pequeños robots", agregó. "Estos robots de micro-cerdas caminan bien en un ambiente de laboratorio, pero hay mucho más que tenemos que hacer antes de que puedan salir al mundo exterior."