בעובי שערה: הרובוטים הזעירים שחשים את החום ומשנים את סביבתם

מערך של 54 שערות מלאכותיות, כל אחת בעובי של שערה אנושית, מזיז נוזל לכיוון אחד כל עוד הסביבה קרה. כשהחום עולה מעבר לסף שנקבע מראש התנועה נעצרת, מתהפכת, והנוזל נשאב חזרה. שום מחשב חיצוני אינו מעורב בהחלטה הזאת: היא מתקבלת במעגל חשמלי שיושב על אותה פיסת סיליקון שעליה יושבות השערות.

את המערכת בנה צוות באוניברסיטת קורנל בהובלת הפיזיקאי איתי כהן, יחד עם הבתר-דוקטורנט ג'ינסונג ז'אנג, והממצאים מתפרסמים בכתב העת Nature Electronics. בעשור האחרון נבנו במעבדות שונות שלושה סוגים של מכונות זעירות: כאלה שיודעות לנוע, כאלה שיודעות למדוד משהו בסביבה, וכאלה שיודעות להעביר אות זו לזו. החידוש שמוצג עכשיו הוא ששלוש היכולות יושבות על אותו התקן ומייצרות יחד שינוי בסביבה שמסביב.

השערות המלאכותיות בנויות משני צירים במקום אחד, וזו הסיבה שהן מצליחות להזיז נוזל ביעילות. ריס ביולוגי אמיתי מכופף את עצמו בתנועה אסימטרית, חבטה חזקה בכיוון אחד וחזרה רכה ומקופלת בכיוון השני, אחרת הנוזל היה חוזר בדיוק למקום שממנו יצא. שני הצירים מאפשרים לשערה המלאכותית לחקות את החבטה הזאת בתנועת משוט. מעליהן יושבים שני מעגלי חישת חום, אחד שמוביל ואחד שעוקב אחריו, ויחד הם מסנכרנים את כל 54 השערות לאותו קצב ולאותו כיוון.

בקנה מידה כזה הנוזל מתנהג אחרת לגמרי מהעולם הגדול. הצמיגות שולטת והאינרציה כמעט נעלמת, כך שגוף שמפסיק לנוע נעצר במקומו מיד, ותנועה שחוזרת על עצמה בדיוק הפוך מחזירה את הנוזל בדיוק לאחור. זו הסיבה שחיידקים מניעים את עצמם בשוטון מסתובב ולא בתנועת מספריים, וזו גם הסיבה ששערה שמתנדנדת סימטרית הלוך ושוב לא תשאב דבר. אסימטריה היא התנאי לשאיבה, והציר השני הוא שמייצר אותה.

רובוטים מיקרוסקופיים שהוצגו עד היום הופעלו כמעט תמיד מבחוץ: שדה מגנטי, אלומת לייזר או שינוי כימי שמפעיל את כולם באותה שנייה. מערכת שמגיבה בעצמה למה שהיא מודדת פותחת אפשרות אחרת, של התקנים שמפוזרים במרחב ופועלים שונה בכל אזור לפי התנאים המקומיים, בלי שמישהו יעקוב אחריהם וישלח פקודות. זה ההבדל בין בובה על חוטים לבין מערכת בקרה סגורה.

הייצור נעשה בתהליכי הליתוגרפיה של תעשיית השבבים, אותם תהליכים שמייצרים מעבדים. מכאן שאפשר לייצר מכונות כאלה בכמויות גדולות ובעלות נמוכה יחסית, בניגוד לרובוטיקה המוכרת שמרכיבה כל יחידה בנפרד. להרחבה: איך מייצרים שבב - אלף שלבים, שלושה חודשים ומפעל שעולה כמו עיר קטנה.

ב-2020 הציגה המעבדה של כהן רובוטים בגודל עשרות מיקרונים שהתהלכו על ארבע רגליים והופעלו בהבזקי לייזר. ב-2022 הגיעה גרסת השערות הראשונה, שפורסמה בכתב העת Nature: משטח פעיל שמייצר זרימות בנוזל במהירות של עשרות מיקרונים בשנייה, במתח הפעלה של ולט אחד. בזכות צריכת החשמל הנמוכה הזאת אפשר לחשוב על הזנה מתאים סולריים זעירים שיושבים על אותו שבב.

בתחילת השנה פרסמה קבוצה אחרת בקורנל, יחד עם מכון מקס פלאנק בשטוטגרט, ניסוי בכתב העת Science Advances עם דיסקיות מסתובבות בקוטר 300 מיקרון. בכל ניסוי הופעלו בין 10 ל-1,000 מהן, והזרימות שהן יצרו סובבו גלגלי שיניים וטבעות, הפעילו תפסן והזיזו גופים תלת-ממדיים בלי מגע ישיר. ככל שהוסיפו יחידות, הזרימה התחזקה והמומנט שהועבר גדל.

מה עושים עם רובוט בגודל תא?

היישום הקרוב ביותר הוא מעבדה על שבב: מערכות אבחון קטנות שצריכות להזיז טיפות נוזל, לערבב ריאגנטים או להפריד תאים, בלי משאבה חיצונית ובלי צנרת. מכשירים כאלה כבר משמשים בבדיקות מולקולריות מהירות, אבל הם נשענים על משאבות ושסתומים חיצוניים שמכתיבים את גודל הקופסה ואת מחירה. שאיבה שמגיבה לחום מוסיפה לזה ויסות עצמי, למשל שמירה על טווח טמפרטורות בתוך תא תגובה זעיר. בטווח הרחוק יותר מדברים החוקרים על התקנים שיפעלו בתוך הגוף או בשדה החקלאי, בדומה לכיוונים אחרים שמנסים להחליף שתלים בחלקיקים שמוזרקים פנימה. להרחבה: זריקה לעין במקום שתל: כך הגיבה רשתית עיוורת לאור.

• 400 אלף רובוטים בדרך: טויוטה מכוונת לייצור זול יותר ולשיפור הרווחיות
• יוניטרי פתחה בזינוק של 629% וסיימה ב-460%: כך התגלגל יום המסחר הראשון

במכון מקס פלאנק בשטוטגרט מפתחים רובוטים רכים בסדר גודל של מילימטרים לשימושים רפואיים, ובמעבדות אחרות נבחנים חלקיקים מגנטיים שמנווטים בכלי דם באמצעות שדה חיצוני. הגישה של קורנל שונה בכך שהאלקטרוניקה עצמה יורדת לגודל של תא ונושאת את ההחלטה, במקום להישאר בשלט שמחוץ לגוף.

המערך שהוצג מקובע לשבב ואינו נע בעצמו, והאנרגיה מגיעה מבחוץ. הניסויים נעשו בנוזל במעבדה ובתנאים מבוקרים, והמעבר לסביבה אמיתית, עם זרימות, חלקיקים ושינויי חומציות, הוא סיפור אחר לגמרי. גם היקף המערכת צנוע: 54 שערות הן מערך הדגמה ולא מכונה עובדת, וכדי להזיז נפחי נוזל משמעותיים יידרשו מיליוני יחידות כאלה. הייצור על שבב הוא בדיוק מה שאמור לאפשר את הכמות הזאת.

מה יידרש כדי לצאת מהמעבדה?

החוקרים מתכננים חיישנים שיגיבו לאור או לרמת חומציות במקום לחום, ומעגלים שיפעילו תגובה כימית ולא שאיבה בלבד. השלב שאחריו הוא לשחרר את היחידות מהמערך הקבוע, כך שכל אחת תנוע בכוחות עצמה ותגיב לתנאים שהיא פוגשת בדרך. בינתיים מדובר ב-54 שערות על שבב אחד, שמחליטות לאיזה כיוון לשאוב נוזל לפי מדידת חום.