Micromáquinas de engenharia que podem coordenar autonomamente usando pulsos eletrônicos

Tal como as ondas que varrem as pequenas multidões dos estádios, as máquinas microscópicas projetadas pelos investigadores da Cornell podem sincronizar autonomamente os seus movimentos, abrindo novas possibilidades para a utilização de microrrobôs na distribuição de medicamentos, mistura de produtos químicos e remediação ambiental, entre outras aplicações.

A pesquisa é a primeira a demonstrar a sincronização em máquinas microscópicas equipadas com osciladores semicondutores de óxido metálico complementares, de acordo com um estudo publicado em 27 de novembro em Robótica Científica pelos autores co-sêniores Alyssa Apsel, professora de engenharia da IBM e diretora da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação, e Itai Cohen, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências e presidente do Departamento de Tecnologia de Design.

As máquinas se coordenam trocando pulsos eletrônicos até que todo o sistema esteja alinhado com o oscilador mais rápido. Cada máquina possui um atuador de pá dobrável com apenas 7 nanômetros de espessura e que flexiona quando ativado, imitando o movimento de uma pessoa sentada e em pé durante uma onda de estádio.

“Os osciladores têm potência muito baixa – subnanowatts – e operam com baixa complexidade”, disse Apsel. “Estamos essencialmente projetando sistemas de temporização locais que se comunicam entre si para produzir comportamentos globais. Essa abordagem é ideal para máquinas em microescala que não possuem energia, capacidade ou espaço para serem conectadas em longas distâncias.”

A sincronização depende de uma técnica de acoplamento pulsado em que os osciladores enviam sinais eletrônicos periódicos que ajustam a temporização das máquinas vizinhas, alinhando seus movimentos sem a necessidade de controle centralizado. A estratégia foi inspirada em trabalhos anteriores sobre sistemas osciladores acoplados realizados por matemáticos – inclusive em Cornell – que desenvolveram estruturas teóricas para modelar “relógios internos” em fenômenos naturais, como vaga-lumes piscando em uníssono ou células cardíacas batendo juntas.

“Essa abordagem descentralizada permite que o sistema se autocorrija e mantenha a sincronização mesmo quando as condições mudam ou ocorrem distúrbios externos”, disse Milad Taghavi, Ph.D. ’21, que co-liderou a pesquisa com Wei Wang, Ph.D. ’23.

“Se um grupo for cortado, a técnica garante que cada subgrupo possa continuar a sincronizar de forma independente. Com o tempo, se os grupos forem reconectados, os pulsos compartilhados permitirão que eles restabeleçam a sincronização perfeitamente.”

Os pesquisadores sincronizaram com sucesso matrizes de até 16 micromáquinas em configurações lineares e bidimensionais, e disseram que ajustes mínimos são necessários para escalar para redes maiores. Esta escalabilidade torna possível coordenar enxames cada vez mais complexos de microrrobôs, permitindo aplicações como transporte fluídico para distribuição de medicamentos, mistura química e limpeza ambiental, bem como construção colaborativa em microescala.

“Isso também abre caminho para a fabricação de materiais elastrônicos onde a eletrônica é incorporada em cada elemento material para criar comportamentos emergentes que não podem ser alcançados em sistemas naturais”, disse Cohen.

Os pesquisadores planejam continuar seu trabalho em micromáquinas, disse Apsel, com projetos futuros potencialmente incluindo microrobôs coordenados que imitam lagartas ou mesmo microrobôs que podem se dividir em vários pedaços autônomos.

“Os engenheiros fizeram enormes progressos para conseguirem fabricar estas pequenas máquinas que se podem mover e até sentir o seu ambiente, mas é difícil encontrar métodos realmente elegantes para fazê-las funcionar colectivamente”, disse Apsel. “Este artigo mostra que você pode usar ideias da biologia, ideias da natureza, e explorá-las para demonstrar comportamentos coletivos.”