L'Université de Pennsylvanie et l'Université du Michigan créent les plus petits robots programmables et autonomes au monde.
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Des chercheurs des universités de Pennsylvanie et du Michigan ont créé les plus petits robots entièrement programmables et autonomes au monde : des machines nageuses microscopiques capables de détecter et de réagir indépendamment à leur environnement, de fonctionner pendant des mois et de ne coûter qu’un centime chacune.
Quasi invisibles à l'œil nu, chaque robot mesure environ 200 x 300 x 50 micromètres, soit moins qu'un grain de sel. Fonctionnant à l'échelle de nombreux micro-organismes biologiques, ces robots pourraient faire progresser la médecine en surveillant la santé des cellules individuelles et l'industrie en contribuant à la fabrication de dispositifs à l'échelle micrométrique.
Un microrobot, entièrement équipé de capteurs et d'un ordinateur, suffisamment petit pour tenir en équilibre sur la crête d'une empreinte digitale. (Crédit : Marc Miskin, Penn)
Alimentés par la lumière, ces robots embarquent des ordinateurs microscopiques et peuvent être programmés pour se déplacer selon des schémas complexes, détecter les températures locales et adapter leurs trajectoires en conséquence.
Décrits dans Science Robotics et les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) , les robots fonctionnent sans câbles, sans champs magnétiques ni contrôle de type joystick depuis l'extérieur, ce qui en fait les premiers robots véritablement autonomes et programmables à cette échelle.
« Nous avons réduit la taille des robots autonomes d'un facteur 10 000 », explique Marc Miskin , professeur adjoint de génie électrique et des systèmes à Penn Engineering et auteur principal des articles. « Cela ouvre la voie à une toute nouvelle échelle pour les robots programmables. »
Franchir la barrière du submillimètre
Depuis des décennies, l'électronique n'a cessé de se miniaturiser, mais les robots peinent à suivre le rythme. « Concevoir des robots capables de fonctionner de manière autonome à des dimensions inférieures au millimètre est extrêmement difficile », explique Miskin. « Ce problème est au point mort depuis 40 ans. »
Les forces qui régissent le monde humain, comme la gravité et l'inertie, dépendent du volume. Mais à l'échelle cellulaire, ce sont les forces liées à la surface, comme la résistance de l'air et la viscosité, qui prédominent. « Si l'on est suffisamment petit, pousser sur l'eau revient à pousser dans du goudron », explique Miskin.
Autrement dit, à l'échelle microscopique, les stratégies qui permettent de déplacer des robots plus grands, comme des membres, réussissent rarement. « Les jambes et les bras minuscules sont fragiles », explique Miskin. « De plus, ils sont très difficiles à construire. »
L’équipe a donc dû concevoir un système de propulsion entièrement nouveau, un système qui fonctionne avec — plutôt qu’à l’encontre de — la physique unique de la locomotion dans le monde microscopique.
Faire nager les robots
Les grands animaux aquatiques, comme les poissons, se déplacent en repoussant l'eau derrière eux. Grâce à la troisième loi de Newton, l'eau exerce une force égale et opposée sur le poisson, le propulsant vers l'avant.
Projection en accéléré des trajectoires de particules traceuses à proximité d'un robot composé de trois moteurs reliés entre eux. (Crédit : Lucas Hanson et William Reinhardt, Université de Pennsylvanie)
Les nouveaux robots, en revanche, ne fléchissent pas du tout leur corps. Ils génèrent plutôt un champ électrique qui agite les ions de la solution environnante. Ces ions, à leur tour, repoussent les molécules d'eau voisines, animant ainsi l'eau autour du corps du robot. « C'est comme si le robot se trouvait dans une rivière en mouvement », explique Miskin, « mais que le robot, en plus, provoquait le mouvement de la rivière. »
Les robots peuvent ajuster le champ électrique qui provoque cet effet, ce qui leur permet de se déplacer selon des schémas complexes et même de voyager en groupes coordonnés, un peu comme un banc de poissons, à des vitesses pouvant atteindre une longueur de corps par seconde.
Et comme les électrodes qui génèrent le champ ne comportent aucune pièce mobile, les robots sont extrêmement résistants. « On peut transférer ces robots d'un échantillon à l'autre à plusieurs reprises à l'aide d'une micropipette sans les endommager », explique Miskin. Alimentés par la lumière d'une LED, les robots peuvent nager en continu pendant des mois.
Donner un cerveau aux robots
Pour être véritablement autonome, un robot a besoin d'un ordinateur pour prendre des décisions, de systèmes électroniques pour percevoir son environnement et contrôler sa propulsion, et de minuscules panneaux solaires pour alimenter l'ensemble. Tout cela doit tenir sur une puce de quelques fractions de millimètre. C'est là qu'est intervenue l'équipe de David Blaauw à l'Université du Michigan.
Le robot est doté d'un ordinateur de bord complet, ce qui lui permet de recevoir et d'exécuter des instructions de manière autonome. (Laboratoires Miskin et Blaauw)
Le laboratoire de Blaauw détient le record du plus petit ordinateur au monde. Lorsque Miskin et Blaauw se sont rencontrés pour la première fois lors d'une présentation organisée par la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) il y a cinq ans, ils ont immédiatement compris que leurs technologies étaient parfaitement complémentaires. « Nous avons réalisé que le système de propulsion de Penn Engineering et nos minuscules ordinateurs électroniques étaient faits l'un pour l'autre », explique Blaauw. Il leur a néanmoins fallu cinq années de travail acharné de part et d'autre pour parvenir à créer leur premier robot fonctionnel.
« Le principal défi pour l'électronique », explique Blaauw, « réside dans la taille minuscule des panneaux solaires, qui ne produisent que 75 nanowatts. C'est plus de 100 000 fois moins d'énergie qu'une montre connectée. » Pour alimenter l'ordinateur du robot avec si peu d'énergie, l'équipe du Michigan a mis au point des circuits spéciaux fonctionnant à des tensions extrêmement basses, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie de l'ordinateur de plus de 1 000 fois.
Néanmoins, les panneaux solaires occupent la majeure partie de l'espace sur le robot. Le second défi consistait donc à intégrer le processeur et la mémoire pour stocker un programme dans le peu d'espace restant. « Nous avons dû repenser entièrement les instructions du programme informatique », explique Blaauw, « en condensant ce qui nécessitait habituellement de nombreuses instructions pour le contrôle de la propulsion en une seule instruction spécifique, afin de réduire la taille du programme et de l'adapter à la mémoire réduite du robot. »
Des robots qui perçoivent, se souviennent et réagissent
Ces innovations ont permis la création du premier robot submillimétrique capable de penser. À la connaissance des chercheurs, personne n'avait jusqu'alors intégré un véritable ordinateur – processeur, mémoire et capteurs – dans un robot aussi petit. Cette avancée majeure fait de ces dispositifs les premiers robots microscopiques capables de percevoir leur environnement et d'agir de manière autonome.
Ces robots sont équipés de capteurs électroniques capables de mesurer la température à un tiers de degré Celsius près. Cela leur permet de se déplacer vers les zones où la température augmente ou de transmettre cette température – un indicateur de l'activité cellulaire – ce qui leur permet de surveiller l'état de santé des cellules individuelles.
« Pour communiquer leurs mesures de température, nous avons conçu une instruction informatique spéciale qui encode une valeur, comme la température mesurée, dans les mouvements d'une petite danse exécutée par le robot », explique Blaauw. « Nous observons ensuite cette danse au microscope avec une caméra et décodons, à partir des mouvements, ce que les robots essaient de nous dire. C'est très similaire à la façon dont les abeilles communiquent entre elles. »
Les robots sont programmés par des impulsions lumineuses qui les alimentent également. Chaque robot possède une adresse unique permettant aux chercheurs de charger des programmes différents sur chacun d'eux. « Cela ouvre un champ de possibilités immense », ajoute Blaauw, « chaque robot pouvant potentiellement jouer un rôle différent au sein d'une tâche commune plus vaste. »
Ce n'est que le début
Les dernières étapes de la fabrication des microrobots consistent à déployer simultanément des centaines de robots. Ces machines miniatures peuvent ensuite être programmées individuellement ou en masse pour réaliser des expériences. (Crédit : Maya Lassiter, Université de Pennsylvanie)
Les versions futures de ces robots pourraient stocker des programmes plus complexes, se déplacer plus rapidement, intégrer de nouveaux capteurs ou fonctionner dans des environnements plus difficiles. En substance, la conception actuelle constitue une plateforme générique : son système de propulsion s’intègre parfaitement à l’électronique, ses circuits peuvent être fabriqués à grande échelle à moindre coût et sa conception permet l’ajout de nouvelles fonctionnalités.
« Ce n'est que le début », affirme Miskin. « Nous avons démontré qu'il est possible d'intégrer un cerveau, un capteur et un moteur dans un dispositif presque invisible, et de le faire fonctionner pendant des mois. Une fois cette base établie, on peut y ajouter toutes sortes d'intelligence et de fonctionnalités. Cela ouvre la voie à un avenir révolutionnaire pour la robotique à l'échelle micrométrique. »