Des chercheurs créent les plus petits robots autonomes entièrement programmables au monde : des machines microscopiques

Capables de nager~? de détecter leur environnement et d'y réagir de manière indépendante

Des chercheurs de l'université de Pennsylvanie et de l'université du Michigan ont créé les plus petits robots autonomes entièrement programmables au monde : des machines microscopiques capables de nager, de détecter leur environnement et d'y réagir de manière indépendante, de fonctionner pendant des mois et ne coûtant qu'un centime chacune. À peine visibles à l'œil nu, ces robots mesurent 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 manufacturière en aidant à construire des dispositifs à micro-échelle.

Dans de le domaine de la microrobotique, des chercheurs de l'université de Twente et de Radboudumc ont révélé en 2023 des millirobots sans fil capable naviguer dans un vaisseau sanguin étroit, à la fois le long et à contre-courant du flux artériel. Ils ont réussi à insérer les robots en forme de vis dans une aorte détachée avec des reins, où ils les ont contrôlés à l'aide d'un aimant rotatif commandé par un robot. Cette découvert était importante car, chaque année dans le monde, une personne sur quatre meurt de maladies causées par des caillots sanguins.

Récemment, des chercheurs de l'université de Pennsylvanie et de l'université du Michigan ont créé les plus petits robots autonomes entièrement programmables au monde : des machines microscopiques capables de nager, de détecter leur environnement et d'y réagir de manière indépendante, de fonctionner pendant des mois et ne coûtant qu'un centime chacune. À peine visibles à l'œil nu, ces robots mesurent 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 manufacturière en aidant à construire des dispositifs à micro-échelle.

Alimentés par la lumière, les robots sont équipés d'ordinateurs microscopiques et peuvent être programmés pour se déplacer selon des schémas complexes, détecter les températures locales et ajuster leur trajectoire en conséquence. Décrits dans Science Robotics et Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), les robots fonctionnent sans câbles, champs magnétiques ou commandes de type joystick depuis l'extérieur, ce qui en fait les premiers robots véritablement autonomes et programmables à cette échelle.


Franchir la barrière du submillimètre

« Nous avons fabriqué des robots autonomes 10 000 fois plus petits », explique Marc Miskin, professeur adjoint en génie électrique et des systèmes à Penn Engineering et auteur principal des articles. « Cela ouvre une toute nouvelle dimension pour les robots programmables. » Depuis des décennies, les composants électroniques sont de plus en plus petits, mais les robots ont du mal à suivre le rythme. « Il est extrêmement difficile de construire des robots qui fonctionnent de manière indépendante à des tailles inférieures à un millimètre », explique Miskin. « Ce domaine est essentiellement bloqué sur ce problème depuis 40 ans. »

Les forces qui dominent le monde humain, comme la gravité et l'inertie, dépendent du volume. Cependant, lorsqu'on réduit la taille à celle d'une cellule, les forces liées à la surface, comme la traînée et la viscosité, prennent le dessus. « Si vous êtes suffisamment petit, pousser dans l'eau revient à pousser dans du goudron », explique Miskin. En d'autres termes, à l'échelle microscopique, les stratégies qui permettent de déplacer des robots plus grands, comme les membres, réussissent rarement. « Les jambes et les bras très petits sont faciles à casser », explique Miskin. « Ils sont également très difficiles à construire. » L'équipe a donc dû concevoir un tout nouveau système de propulsion, qui fonctionne avec — plutôt que contre — les lois physiques uniques de la locomotion dans le domaine microscopique.


Faire nager les robots

Les grandes créatures aquatiques, comme les poissons, se déplacent en poussant l'eau derrière elles. Grâce à la troisième loi de Newton, l'eau exerce une force égale et opposée sur le poisson, le propulsant vers l'avant. Les nouveaux robots, en revanche, ne fléchissent pas du tout leur corps. Ils génèrent plutôt un champ électrique qui pousse les ions dans la solution environnante. Ces ions, à leur tour, poussent 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 le robot provoque également 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 se déplacer en groupes coordonnés, un peu comme un banc de poissons, à une vitesse 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. « Vous pouvez transférer ces robots à plusieurs reprises d'un échantillon à un autre à l'aide d'une micropipette sans les endommager », explique Miskin. Chargés par la lumière d'une LED, les robots peuvent continuer à nager pendant des mois.


Donner un cerveau aux robots

Pour être véritablement autonome, un robot a besoin d'un ordinateur pour prendre des décisions, d'électronique pour détecter son environnement et contrôler sa propulsion, et de minuscules panneaux solaires pour alimenter le tout, et tout cela doit tenir sur une puce de quelques millièmes de millimètres. C'est là qu'est intervenue l'équipe de David Blaauw de l'université du Michigan.

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 Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) il y a cinq ans, ils ont immédiatement compris que leurs technologies étaient parfaitement complémentaires. « Nous avons vu que le système de propulsion de Penn Engineering et nos minuscules ordinateurs électroniques étaient faits l'un pour l'autre », explique Blaauw. Il a toutefois fallu cinq années de travail acharné de part et d'autre pour mettre au point leur premier robot fonctionnel.

« Le principal défi pour l'électronique, explique Blaauw, est que les panneaux solaires sont minuscules et ne produisent que 75 nanowatts d'énergie. C'est plus de 100 000 fois moins que ce que consomme une montre connectée. » Pour faire fonctionner l'ordinateur du robot avec une puissance aussi faible, l'équipe du Michigan a mis au point des circuits spéciaux qui fonctionnent à des tensions extrêmement basses et réduisent la consommation électrique de l'ordinateur de plus de 1 000 fois.

Cependant, les panneaux solaires occupent la majeure partie de l'espace disponible sur le robot. Le deuxième défi consistait donc à intégrer le processeur et la mémoire nécessaires au stockage du programme dans le peu d'espace restant. « Nous avons dû repenser entièrement les instructions du programme informatique », explique Blaauw, « en condensant ce qui nécessiterait normalement de nombreuses instructions pour le contrôle de la propulsion en une seule instruction spéciale afin de réduire la longueur du programme et l'adapter au minuscule espace mémoire du robot. »


Des robots qui détectent, mémorisent et réagissent

Ces innovations ont permis de créer le premier robot submillimétrique capable de penser. À la connaissance des chercheurs, personne n'avait encore intégré un véritable ordinateur (processeur, mémoire et capteurs) dans un robot aussi petit. Cette avancée fait de ces appareils les premiers robots microscopiques capables de détecter et d'agir de manière autonome. Les robots sont équipés de capteurs électroniques capables de détecter la température avec une précision d'un tiers de degré Celsius. Cela leur permet de se déplacer vers les zones où la température augmente ou de signaler la température, qui est un indicateur de l'activité cellulaire, ce qui leur permet de surveiller la santé de chaque cellule.

« Pour communiquer leurs mesures de température, nous avons conçu une instruction informatique spéciale qui encode une valeur, telle que la température mesurée, dans les mouvements d'une petite danse exécutée par le robot », explique Blaauw. « Nous observons ensuite cette danse à l'aide d'un microscope équipé d'une caméra et décodons à partir des mouvements ce que les robots nous disent. Cela ressemble beaucoup à la façon dont les...