Onderzoekers hebben een doorbraak bereikt in de microrobotica door microscopische machines te besturen met behulp van principes die zijn afgeleid van Einsteins relativiteitstheorie. Deze methode biedt de mogelijkheid om kleine robots te creëren voor toepassingen in de geneeskunde, productie en daarbuiten – zonder afhankelijk te zijn van omvangrijke sensoren die hun functionaliteit op microschaal zouden beperken.
De uitdaging van microrobotnavigatie
Het ontwikkelen van functionele microrobots vormt een belangrijke hindernis: hoe kun je ze precies begeleiden zonder ingebouwde elektronica toe te voegen die ze te groot maakt voor taken zoals het opereren in het menselijk lichaam. Conventionele navigatiesystemen vereisen sensoren, processors en energiebronnen, die op microscopisch niveau al snel onpraktisch worden. Het team van de Universiteit van Pennsylvania heeft dit probleem omzeild door gebruik te maken van een onverwachte oplossing: het weefsel van de ruimte-tijd.
Zwaartekracht nabootsen met licht
Bij het onderzoek waren elektrokinetische (EK)-robots van 100 micron betrokken die waren ondergedompeld in een geïoniseerde oplossing. Deze robots, aangedreven door kleine zonnecellen en elektroden, bewegen zich door de vloeistof wanneer ze worden blootgesteld aan licht, waardoor elektrische velden ontstaan die hen voortstuwen. De belangrijkste innovatie ligt in hoe deze robots werden geleid.
In plaats van complexe algoritmen of externe sensoren creëerden de onderzoekers een ‘kunstmatige ruimte-tijd’ met behulp van lichtpatronen. Deze benadering is gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die uitlegt hoe de zwaartekracht de ruimte-tijd rond massieve objecten buigt. Licht en objecten volgen de kortste paden, de zogenaamde geodeten, die door deze buiging gebogen lijken. Stel je voor dat licht rond een cluster van sterrenstelsels wordt vervormd – dat is het effect dat hier op microscopische schaal wordt gerepliceerd.
Zoals hoofdauteur Marc Miskin uitlegde: “We hebben laten zien dat de manier waarop EK-robots zich gedragen in lichtvelden met patronen identiek is aan de paden die licht volgt in de algemene relativiteitstheorie.” Dit betekent dat de robots zich effectief gedragen alsof ze reageren op zwaartekrachten, ook al is er geen daadwerkelijke zwaartekracht bij betrokken.
Kunstmatige ruimte-tijd in de praktijk
Het onderzoeksteam modelleerde een eenvoudig doolhof als een gebogen virtuele ruimte met behulp van relativiteitsvergelijkingen. In dit model worden de paden naar het doelpunt rechte lijnen. Door dit model om te zetten in een 2D-lichtkaart ontstond een omgeving waarin donkere vlekken de robots aantrokken en heldere plekken hen afstootten. Het eindpunt van het doolhof was ontworpen als de donkerste plek en functioneerde als een nep-zwart gat, terwijl obstakels helderder verlicht waren.
Het resultaat? Ongeacht hun startpositie volgden de EK-robots deze geodeten op natuurlijke wijze en navigeerden ze moeiteloos rond muren alsof ze bergafwaarts gleden in een kromgetrokken ruimte. De studie, gepubliceerd in npj Robotics in november 2025, demonstreert een functionele toepassing van relativiteitsprincipes in robotica.
De brug tussen natuurkunde en technologie
Miskin benadrukt dat dit werk niet gaat over het kiezen tussen natuurkunde en technologie, maar over het combineren ervan. Relativiteit en optica bieden beproefde hulpmiddelen, terwijl robotica concreet, mechanistisch inzicht biedt. De experimenten bieden ook nieuwe inzichten in de algemene relativiteitstheorie zelf, vooral bij het verkennen van ‘platte ruimtetijden’ in 2D-omgevingen.
Toekomstige implicaties
Hoewel deze technologie zich nog in de beginfase bevindt, zou deze binnen het komende decennium praktische toepassingen kunnen opleveren. Mogelijke toepassingen zijn onder meer tandheelkundige biopsieën om ervoor te zorgen dat wortelkanalen worden gereinigd, tumoreliminatie met nauwkeurige plaatselijke metingen en zelfs microchipassemblage met behulp van kleine robotassistenten. De microwereld begint, zoals Miskin het stelt, nog maar net zijn mogelijkheden te onthullen.
Deze studie vertegenwoordigt een krachtige convergentie van theoretische natuurkunde en praktische techniek, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor de ontwikkeling van geavanceerde microrobots met ongekende navigatiemogelijkheden.
