Appena visibili a occhio nudo, i nuovi robot a basso costo possono nuotare, rilevare la temperatura ed eseguire piccoli programmi alimentati dalla luce. I ricercatori affermano che questa prima generazione potrebbe un giorno aiutare a monitorare singole cellule e a costruire dispositivi microscopici.
Poco più grandi di un granello di polvere e più economici di un centesimo, una nuova generazione di robot microscopici è in grado di nuotare, percepire l'ambiente circostante ed eseguire minuscoli programmi per computer, tutto in autonomia.
I ricercatori dell'Università della Pennsylvania e dell'Università del Michigan hanno presentato quelli che, a loro dire, sono i robot autonomi completamente programmabili più piccoli al mondo. Ogni macchina misura circa 0.2 x 0.3 x 0.05 millimetri, opera su scala paragonabile a quella di molti microrganismi ed è appena visibile a occhio nudo.
Nonostante le loro dimensioni, i robot possono muoversi secondo schemi complessi, spostarsi in gruppi coordinati, rilevare variazioni di temperatura e adattare i propri percorsi di conseguenza. Sono alimentati e controllati dalla luce, possono funzionare per mesi in acqua e costano circa un centesimo ciascuno, secondo il team.
Marc Miskin, professore associato di ingegneria elettrica e dei sistemi alla Penn e autore principale di due studi complementari, ha affermato che questo lavoro spinge la robotica verso un nuovo regime.
"Abbiamo reso i robot autonomi 10,000 volte più piccoli", ha dichiarato in un comunicato stampa. "Questo apre una scala completamente nuova per i robot programmabili".
I robot sono descritti in due articoli, uno in Scienza Robotics che si concentra sul loro calcolo e rilevamento integrati, e un altro nel Atti della National Academy of Sciences che spiega nel dettaglio come si muovono.
I robot in microscala sono da tempo un obiettivo per gli scienziati che immaginano macchine minuscole in grado di muoversi all'interno del corpo, monitorare singole cellule o assemblare dispositivi microscopici. Ma rimpicciolire un robot non è semplice come rimpicciolire un chip di computer. A scale molto piccole, forze come la resistenza e la viscosità prevalgono, rendendo il movimento estremamente difficile. Per decenni, questa sfida ha rallentato il progresso.
Il gruppo di Miskin ha affrontato il problema del movimento ripensando il significato di "nuotare" per un robot su scala microscopica. Invece di affidarsi a parti mobili come eliche o gambe, i robot muovono l'acqua intorno a loro.
In acqua a queste dimensioni, la resistenza è così intensa che è come cercare di farsi strada attraverso il catrame. Il sistema di propulsione del team evita questo problema utilizzando campi elettrici. I robot generano un campo che spinge le particelle cariche, o ioni, nel liquido circostante. Questi ioni spingono quindi le molecole d'acqua vicine, creando una forza sufficiente a far avanzare il robot. Il risultato è un sistema di propulsione senza parti meccaniche in movimento, che rende i robot resistenti e in grado di nuotare per mesi.
Allo stesso tempo, il team del Michigan guidato dai professori di ingegneria elettrica e informatica David Blaauw e Dennis Sylvester aveva spinto i limiti dei computer minuscoli, costruendo sistemi submillimetrici da record in grado di rilevare e calcolare utilizzando quantità minuscole di energia.
"Abbiamo visto che il sistema di propulsione della Penn Engineering e i nostri piccoli computer erano fatti l'uno per l'altro", ha affermato Blaauw, autore principale dello studio di Science Robotics, nel comunicato stampa.
Per dotare ogni robot di un "cervello" funzionante, il gruppo di Blaauw ha dovuto lavorare in condizioni estreme. Il computer di bordo consuma circa 75 nanowatt di energia, circa 100,000 volte meno di uno smartwatch. Per raccogliere anche questa piccola quantità, i pannelli solari ricoprono la maggior parte della superficie del robot.
La potenza e la memoria limitate hanno costretto i ricercatori a riprogettare il funzionamento del software del robot.
"Abbiamo dovuto ripensare completamente le istruzioni del programma del computer, condensando ciò che convenzionalmente avrebbe richiesto molte istruzioni per il controllo della propulsione in un'unica istruzione speciale per aiutarci a ridurre la lunghezza del programma in modo che rientrasse nella piccola memoria del robot", ha aggiunto Blaauw.
I robot sono programmati e alimentati da impulsi di luce. Ognuno di essi ha un identificativo univoco, così un ricercatore può proiettare una luce a motivi e impartire istruzioni diverse a robot diversi nella stessa goccia d'acqua. In linea di principio, ciò significa che uno sciame di robot potrebbe suddividersi un compito, con ogni unità che assume un ruolo specifico.
Nello studio di Science Robotics, il team riferisce che questo primo gruppo di robot è dotato di sensori di temperatura in grado di rilevare variazioni anche di un terzo di grado Celsius. Nei test di laboratorio, i robot potrebbero spostarsi verso regioni più calde o rilevare la temperatura come indicatore dell'attività cellulare.
Per inviare informazioni, i robot modificano il loro modo di muoversi. I ricercatori paragonano questo processo alla "danza dell'oscillazione" che le api usano per comunicare. Muovendosi secondo schemi specifici, i robot possono codificare semplici messaggi su ciò che percepiscono.
Guardando al futuro, il team immagina molteplici potenziali utilizzi. In medicina, flotte di questi robot potrebbero un giorno monitorare la salute delle singole cellule, tracciare la risposta dei tessuti ai farmaci o somministrare terapie con estrema precisione. In ambito manifatturiero, potrebbero contribuire a costruire o ispezionare dispositivi microscopici, troppo piccoli per essere maneggiati dagli strumenti umani.
Le versioni future potrebbero memorizzare programmi più complessi, muoversi più velocemente, integrare sensori aggiuntivi o operare in ambienti più impegnativi, al di là dei semplici liquidi di laboratorio. I robot attuali dimostrano già che è possibile combinare rilevamento, elaborazione e movimento a una scala che era irraggiungibile solo pochi anni fa.
"Questo è solo il primo capitolo", ha aggiunto Miskin. "Abbiamo dimostrato che è possibile inserire un cervello, un sensore e un motore in qualcosa di quasi troppo piccolo per essere visto, e farlo sopravvivere e funzionare per mesi. Una volta ottenute queste basi, è possibile aggiungere ogni tipo di intelligenza e funzionalità. Questo apre le porte a un futuro completamente nuovo per la robotica su scala microscopica".
Il progetto ha riunito esperti di robotica, microelettronica e materiali della Penn e del Michigan, con il supporto della National Science Foundation e di diverse altre agenzie e fondazioni. Gli studenti laureati Maya Lassiter della Penn e Jungho Lee del Michigan sono i primi autori del lavoro.
Per ora, i robot operano solo in ambienti di laboratorio accuratamente preparati. Ma con il progredire della tecnologia, affermano i ricercatori, potrebbe rimodellare il modo in cui scienziati e ingegneri interagiscono con il mondo microscopico: non solo osservandolo attraverso un microscopio, ma inviando minuscole macchine a percepire, pensare e agire autonomamente.
Fonte: University of Michigan