Hampir tak terlihat oleh mata telanjang, robot-robot baru seharga satu sen ini dapat berenang, mendeteksi suhu, dan menjalankan program-program kecil yang ditenagai oleh cahaya. Para peneliti mengatakan bahwa generasi pertama ini suatu hari nanti dapat membantu memantau sel-sel individual dan membangun perangkat mikroskopis.
Berukuran hampir sebesar butiran debu dan lebih murah dari satu sen, generasi baru robot mikroskopis ini dapat berenang, merasakan lingkungan sekitarnya, dan menjalankan program komputer kecil — semuanya secara mandiri.
Para peneliti di Universitas Pennsylvania dan Universitas Michigan telah memperkenalkan apa yang mereka sebut sebagai robot otonom yang sepenuhnya dapat diprogram terkecil di dunia. Setiap mesin berukuran sekitar 0.2 x 0.3 x 0.05 milimeter, beroperasi pada skala banyak mikroorganisme dan hanya terlihat oleh mata telanjang.
Meskipun ukurannya kecil, robot-robot ini dapat bergerak dalam pola yang kompleks, melakukan perjalanan dalam kelompok yang terkoordinasi, mendeteksi perubahan suhu, dan menyesuaikan jalur mereka sebagai respons. Menurut tim peneliti, robot-robot ini ditenagai dan dikendalikan oleh cahaya, dapat beroperasi selama berbulan-bulan di dalam air, dan biaya pembuatannya hanya sekitar satu sen per unit.
Marc Miskin, seorang asisten profesor teknik elektro dan sistem di Penn dan penulis senior dalam dua studi pendamping, mengatakan bahwa karya ini mendorong robotika ke ranah baru.
“Kami telah membuat robot otonom 10,000 kali lebih kecil,” katanya dalam siaran pers. “Hal itu membuka skala yang sepenuhnya baru untuk robot yang dapat diprogram.”
Robot-robot tersebut dijelaskan dalam dua makalah, satu di Robotika ilmu yang berfokus pada komputasi dan penginderaan terintegrasi mereka, dan yang lainnya di Prosiding National Academy of Sciences yang menjelaskan secara rinci bagaimana mereka bergerak.
Robot skala mikro telah lama menjadi tujuan para ilmuwan yang membayangkan mesin-mesin kecil yang dapat bergerak di dalam tubuh, memantau sel-sel individual, atau merakit perangkat mikroskopis. Namun, mengecilkan robot tidak sesederhana mengecilkan chip komputer. Pada skala yang sangat kecil, gaya-gaya seperti hambatan udara dan viskositas mendominasi, membuat pergerakan menjadi sangat sulit. Selama beberapa dekade, tantangan itu telah memperlambat kemajuan.
Kelompok Miskin mengatasi masalah pergerakan dengan memikirkan kembali apa artinya bagi sebuah robot untuk "berenang" pada skala mikro. Alih-alih mengandalkan bagian yang bergerak seperti baling-baling atau kaki, robot-robot tersebut menggerakkan air di sekitarnya.
Dalam air pada skala ini, hambatan gesekannya sangat kuat sehingga seperti mencoba menembus aspal. Sistem penggerak tim ini mengatasi hal tersebut dengan menggunakan medan listrik. Robot-robot tersebut menghasilkan medan yang mendorong partikel bermuatan, atau ion, dalam cairan di sekitarnya. Ion-ion tersebut kemudian mendorong molekul air di dekatnya, menciptakan gaya yang cukup untuk menggerakkan robot ke depan. Hasilnya adalah sistem penggerak tanpa bagian mekanis yang bergerak, yang membuat robot tahan lama dan mampu berenang selama berbulan-bulan.
Pada saat yang sama, tim Michigan yang dipimpin oleh profesor teknik elektro dan komputer David Blaauw dan Dennis Sylvester telah mendorong batas kemampuan komputer mini, membangun sistem sub-milimeter pemecah rekor yang dapat merasakan dan menghitung menggunakan daya yang sangat kecil.
“Kami melihat bahwa sistem propulsi Penn Engineering dan komputer mini kami memang diciptakan untuk saling melengkapi,” kata Blaauw, penulis senior studi Science Robotics, dalam siaran pers tersebut.
Untuk memasang "otak" fungsional pada setiap robot, kelompok Blaauw harus bekerja di bawah kendala yang sangat ketat. Komputer onboard beroperasi dengan daya sekitar 75 nanowatt — kira-kira 100,000 kali lebih sedikit daripada jam tangan pintar. Untuk memanfaatkan daya sekecil itu pun, panel surya menutupi sebagian besar permukaan robot.
Keterbatasan daya dan memori memaksa para peneliti untuk mendesain ulang cara kerja perangkat lunak robot tersebut.
“Kami harus memikirkan ulang sepenuhnya instruksi program komputer, meringkas apa yang biasanya membutuhkan banyak instruksi untuk kontrol penggerak menjadi satu instruksi khusus untuk membantu kami memperpendek panjang program agar sesuai dengan memori robot yang sangat kecil,” tambah Blaauw.
Robot-robot tersebut diprogram dan ditenagai oleh pulsa cahaya. Masing-masing memiliki pengidentifikasi unik, sehingga seorang peneliti dapat menyinari cahaya berpola dan memberikan instruksi berbeda kepada robot yang berbeda dalam setetes air yang sama. Pada prinsipnya, itu berarti sekumpulan robot dapat membagi tugas, dengan setiap unit mengambil peran spesifik.
Dalam studi Science Robotics, tim melaporkan bahwa kelompok robot pertama ini membawa sensor suhu yang dapat mendeteksi perubahan sekecil sepertiga derajat Celcius. Dalam uji laboratorium, robot-robot tersebut dapat bergerak menuju daerah yang lebih hangat atau melaporkan suhu sebagai pengganti aktivitas seluler.
Untuk mengirimkan kembali informasi, robot-robot tersebut mengubah cara mereka bergerak. Para peneliti menyamakan hal ini dengan "tarian goyang" yang digunakan lebah madu untuk berkomunikasi. Dengan menggoyangkan tubuh dalam pola tertentu, robot-robot tersebut dapat menyandikan pesan-pesan sederhana tentang apa yang mereka rasakan.
Ke depan, tim membayangkan banyak potensi penggunaan. Di bidang kedokteran, armada robot semacam itu suatu hari nanti mungkin dapat memantau kesehatan sel individual, melacak bagaimana jaringan merespons obat, atau memberikan terapi dengan presisi yang sangat tinggi. Di bidang manufaktur, mereka dapat membantu membangun atau memeriksa perangkat skala mikro yang terlalu kecil untuk ditangani oleh alat manusia.
Versi mendatang dapat menyimpan program yang lebih kompleks, bergerak lebih cepat, mengintegrasikan sensor tambahan, atau beroperasi di lingkungan yang lebih menantang di luar cairan laboratorium sederhana. Robot saat ini telah menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk menggabungkan penginderaan, komputasi, dan gerakan dalam skala yang tidak mungkin dicapai beberapa tahun yang lalu.
“Ini sebenarnya baru bab pertama,” tambah Miskin. “Kami telah menunjukkan bahwa Anda dapat memasang otak, sensor, dan motor ke dalam sesuatu yang hampir terlalu kecil untuk dilihat, dan membuatnya bertahan dan berfungsi selama berbulan-bulan. Setelah Anda memiliki fondasi itu, Anda dapat menambahkan berbagai macam kecerdasan dan fungsi. Ini membuka pintu menuju masa depan baru bagi robotika pada skala mikro.”
Proyek ini menyatukan para ahli di bidang robotika, mikroelektronika, dan material dari Penn dan Michigan, dengan dukungan dari National Science Foundation dan beberapa lembaga serta yayasan lainnya. Mahasiswa pascasarjana Maya Lassiter di Penn dan Jungho Lee di Michigan adalah penulis utama bersama dalam karya ini.
Untuk saat ini, robot-robot tersebut hanya berenang di lingkungan laboratorium yang telah disiapkan dengan cermat. Namun, seiring perkembangan teknologi ini, para peneliti mengatakan, hal itu dapat mengubah cara para ilmuwan dan insinyur berinteraksi dengan dunia mikroskopis — bukan hanya mengamatinya melalui mikroskop, tetapi juga mengirimkan mesin-mesin kecil untuk merasakan, berpikir, dan bertindak sendiri.
Sumber: University of Michigan