Des robots microscopiques contrôlés à l'aide de lasers

Des travaux de recherche dirigés par l’université américaine de Cornell ont conduit à la mise au point de robots de taille microscopique. Constituées de cellules photovoltaïques au silicium, ces petites machines sont capables de se mouvoir sous l’effet d’impulsions laser.

Ces robots microscopiques, dont les dimensions vont de 40 à 70 µm en longueur pour 5 µm d’épaisseur, contiennent des puces au silicium. Ce sont donc de petits ordinateurs, sur lesquels sont disposées 4 “jambes”, dont la création et le contrôle représentent un énorme défi pour l’équipe de chercheurs.

Voici quelques explications détaillées sur ces travaux publiés dans la revue Nature.

Microrobot en mouvement près d’une paramécie. Credit : Cornell University

Comment fonctionnent ces robots ?

Pour fonctionner, un robot a besoin d’un “cerveau” et d’une partie motrice. Grâce aux progrès de la microélectronique, la réalisation de circuits de petite taille n’a pas été un problème pour l’équipe de chercheurs.

En revanche, selon Paul McEuen, professeur de sciences physiques au College of Arts and Sciences (Cornell University), il n’existait jusqu’ici aucune technologie permettant de concevoir des jambes microscopiques :

“Nous ne pouvions pas utiliser de petits actionneurs pilotables électriquement. Nous avons dû les inventer et les combiner avec la partie électronique.”

L’équipe de chercheurs a ainsi utilisé deux technologies : le dépôt par couche atomique (ALD) et la lithographie, pour construire des jambes robotiques. Ces jambes sont constituées de bandes de platine de quelques dizaines d’atomes d’épaisseur, recouvertes à une extrémité par une fine couche de titane inerte. L’application d’une charge électrique positive au platine conduit à l’adsorption des ions chargés négativement, sur l’autre face. Ce phénomène contraint la fine bande de platine à se replier, ce qui crée un mouvement.

Le contrôle du mouvement du robot est obtenu grâce à des impulsions lasers, dirigées vers les cellules photovoltaïques disposées à l’avant et à l’arrière du robot.

Vers une production massive et rapide

Ces robots ont beau être de la haute technologie ils n’en sont pas moins robustes (pour leur taille) et économes en énergie (seulement 10 nanowatts de puissance, pour 200 mV). Et parce qu’ils sont conçus à partir de procédés standards tels que la lithographie, ils peuvent être fabriqués en masse. Ainsi, un wafer silicium de 4 pouces peut en contenir près d’un million !

Des applications médicales très prometteuses

Les potentielles applications médicales de ce type de robots, dont la taille n’excède pas celle d’une paramécie, sont nombreuses. Imaginons le cas d’un chirurgien dont le patient serait atteint d’une tumeur, placée dans une zone très sensible du cerveau. Plutôt que de réaliser une opération à risque, au scalpel, le chirurgien n’aurait qu’à injecter d’un seul coup des milliers de ces minuscules robots à l’aide d’une seringue.

Que se passe-t-il ensuite ? De tels robots peuvent par exemple entourer la tumeur, jusqu’à l’encapsuler et arrêter sa croissance.

Pour le moment, ces petites machines sont seulement capables de réaliser des tâches basiques et de se mouvoir. Les chercheurs vont maintenant travailler sur le développement de robots dotés d’une électronique plus complexe. Ils espèrent ainsi voir apparaître un jour des essaims de robots microscopiques capables de réparer des vaisseaux sanguins, de restructurer des matériaux ou même d’explorer de vastes zones du cerveau humain.

Pour en savoir plus, nous vous invitons à visualiser cette vidéo.

D’après l’article de David Nutt, 26 août, 2020 pour Cornell University.