Settembre 26, 2022

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Cervelli a bordo: piccoli robot intelligenti camminano autonomamente

Uno sforzo di collaborazione ha installato “cervelli” elettronici su robot a energia solare di dimensioni comprese tra 100 e 250 micrometri – più piccoli della testa di una formica – in modo che possano camminare in modo indipendente senza essere sotto il controllo esterno.

Mentre i ricercatori della Cornell e altri hanno precedentemente sviluppato macchine microscopiche in grado di gattonare e nuotare, Camminare e flettendosi, c’erano sempre dei “fili” attaccati; Per generare movimento, i cavi sono stati utilizzati per fornire una corrente elettrica oppure i laser dovevano essere focalizzati direttamente su posizioni specifiche sui robot.


Credito: Introduzione

Ricercatore post-dottorato Michael Reynolds, MS ’17, Ph.D. ’21 mostra un wafer di silicio su un isolante contenente i “cervelli” CMOS finali.

“In precedenza, dovevamo letteralmente manipolare questi ‘thread’ per ottenere qualsiasi tipo di risposta dal bot,” Itai CohenProfessore di Fisica, College of Arts and Sciences. “Ma ora che abbiamo questi cervelli a bordo, è come strappare i fili a una marionetta. È come quando Pinocchio prende conoscenza”.

Questa innovazione apre la strada a una nuova generazione di dispositivi microscopici in grado di tracciare batteri, fiutare sostanze chimiche, eliminare sostanze inquinanti, eseguire microchirurgia e rimuovere la placca dalle arterie.

scheda della squadra”,Robot microscopici con controllo digitale a bordo“, pubblicato il 21 settembre su Science Robotics. L’autore principale è Michael Reynolds, un ricercatore post-dottorato, 17° Master, Ph.D. 21.

Il progetto ha riunito ricercatori di Cohen Laboratories, Alëša Molnar, Professore Associato di Ingegneria Elettrica e Informatica presso Cornell Engineering. E il Paul McQueenProfessor John A. Neumann Physical Sciences (A&S), che sono tutti coautori senior del documento.

Il “cervello” dei nuovi robot è un circuito complementare a semiconduttore di ossido di metallo (CMOS) contenente mille transistor, oltre a una serie di diodi, resistori e condensatori. Il circuito integrato CMOS genera un segnale che produce una serie di frequenze di onde quadre fasate che a loro volta determinano l’andatura del robot. Le gambe del robot sono attuatori a base di platino. Sia il circuito che le gambe sono alimentati da celle fotovoltaiche.


Itay Cohen, professore di fisica.

Credito: Ryan Young/Cornell University

Itai Cohen, professore di fisica, paragona l’innovazione dell’installazione di circuiti CMOS sui microbot al momento in cui “Pinocchio prende coscienza”.

In un certo senso, l’elettronica è molto semplice. Cohen ha detto che questo circuito di clock non è un balzo in avanti nella capacità dei circuiti. “Ma tutti i dispositivi elettronici devono essere progettati per essere a bassissima potenza, in modo da non dover utilizzare enormi celle fotovoltaiche per alimentare il circuito”.

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I dispositivi elettronici a bassa potenza sono resi possibili da Gruppo MolnarRicerca. L’ex ricercatore post-dottorato Alejandro Cortez, Ph.D. Nel ’19, ha lavorato con Reynolds e ha progettato il cervello CMOS, che è stato poi costruito da una fonderia commerciale, XFAB.

I circuiti finali sono arrivati ​​su wafer di silicio da 8 pollici su un isolante. Ogni cervello di robot alto 15 micron – anche il corpo del robot – è una “montagna” rispetto all’elettronica che normalmente si adatta a un chip piatto, ha detto Reynolds. stava lavorando con Struttura scientifica e tecnologica Cornell NanoScale (CNF) per sviluppare un processo complesso utilizzando la fotolitografia a 13 strati per incidere i cervelli in una soluzione acquosa e modellare gli attuatori per realizzare le gambe.

ha affermato Cortez, CEO di OWiC Technologies, una società da lui fondata con McEuen e Molnar per commercializzare circuiti integrati ottici wireless per microsensori. “Questa è davvero la prima volta che dimostriamo che sì, puoi integrarlo direttamente nel processo CMOS e controllare tutte queste gambe direttamente con un circuito efficiente”.

Il team ha creato tre robot per dimostrare l’integrazione CMOS: un robot Purcell a due gambe, chiamato in onore del fisico Edward Purcell, che ha proposto un modello altrettanto semplice per spiegare i movimenti di nuoto dei microrganismi; un robot a sei zampe più complesso, che cammina con tre gambe alternativamente, come un insetto; E il dogbot a quattro zampe può cambiare la velocità con cui cammina grazie a un circuito modificato che riceve i comandi tramite un impulso laser.

“In definitiva, essere in grado di comunicare un comando ci consentirà di dare istruzioni al robot e il cervello interno determinerà come eseguirle”, ha detto Cohen. Quindi abbiamo una conversazione con il bot. Il robot potrebbe dirci qualcosa sul suo ambiente e quindi potremmo reagire dicendogli: “Va bene, vai là fuori e cerca di capire cosa sta succedendo”.

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I nuovi robot sono circa 10.000 volte più piccoli dei robot più grandi dotati di elettronica CMOS integrata e possono camminare a velocità superiori a 10 micrometri al secondo.

Il processo di produzione di Reynolds, principalmente per l’elettronica costruita in fonderia, ha portato a una piattaforma che potrebbe consentire ad altri ricercatori di dotare i microrobot delle proprie applicazioni, dai rivelatori chimici agli “occhi” fotoelettrici che aiutano i robot a navigare rilevando i cambiamenti nella luce.

“Ciò che ti consente di immaginare sono robot microscopici molto complessi, altamente efficienti e altamente programmabili, integrati non solo con attuatori, ma anche con sensori”, ha affermato Reynolds. “Siamo entusiasti delle applicazioni in medicina – qualcosa che può muoversi attraverso i tessuti, identificare le cellule buone e uccidere le cellule cattive – e nella terapia ambientale, come se avessi un robot che sa come abbattere le sostanze inquinanti o percepire e smaltire sostanze chimiche pericolose .”

A maggio, il team ha integrato i propri circuiti di clock CMOS ciglia artificiali anch’essi costruiti utilizzando attuatori azionati elettricamente a base di platino, per controllare il movimento dei fluidi.

“La vera parte divertente è che, proprio come non sapevamo davvero cosa sarebbe stato l’iPhone fino a quando non l’abbiamo inviato nel mondo, quello che speriamo è che ora che abbiamo mostrato una ricetta per collegare l’elettronica CMOS per azionare arti robotici, possiamo liberarlo e far progettare chip alle persone”, ha detto Cohen. Piccole cose a bassa potenza che possono fare ogni tipo di cosa. “Questa è l’idea di mandarlo nell’etere e scatenare le persone immaginazione.”

Tra i coautori c’è l’ex ricercatore post-dottorato Mark Maskin. I ricercatori post-dottorato Qingkun Liu e Sunwoo Lee; dottorandi Wei Wang e Samantha Norris; e Zhangqi (Jackie) Zheng ’24.

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La ricerca è stata supportata da Centro Cornell per la ricerca sui materiali, che è sostenuto dal Programma MRSEC della National Science Foundation; Fondazione Nazionale della Scienza; Ufficio per la Ricerca Scientifica dell’Aeronautica Militare; Ufficio di ricerca dell’esercito; e il Kavli Institute presso Cornell for Nanoscience.