I ricercatori dell’Università della Pennsylvania e dell’Università del Michigan hanno raggiunto un traguardo significativo nel campo della robotica: creando robot completamente autonomi e alimentati a energia solare, la cui produzione costa solo un centesimo. Queste macchine, più piccole di un granello di sale, superano le sfide decennali della microrobotica sfruttando la propulsione elettrica e nuovi progetti di circuiti. Lo sviluppo apre le porte a progressi nel campo delle nanotecnologie, della ricerca medica e altro ancora.
La sfida decennale della microrobotica
Per 40 anni, il campo della robotica ha lottato per costruire robot indipendenti su scala submillimetrica. Il problema non è solo la miniaturizzazione; è fisica. Man mano che gli oggetti si restringono, l’inerzia diventa meno dominante mentre gli effetti della superficie come la viscosità e la resistenza prendono il sopravvento. Ciò significa che i tradizionali modelli di locomotive, come gambe o braccia, diventano poco pratici a livello micro: muoversi attraverso i fluidi su questa scala è come spingere attraverso il catrame. La soluzione del team elimina del tutto la necessità di arti meccanici, basandosi invece su campi elettrici per muovere i robot.
Come funzionano: elettricità, ioni e acqua
Ciascun robot, che misura circa 200 x 300 x 50 micrometri, converte l’energia proveniente da minuscoli pannelli solari in un campo elettrico quando è immerso in una soluzione. Questo campo spinge gli ioni vicini, che poi spostano le molecole d’acqua circostanti, creando movimento. I robot non si limitano al semplice movimento in avanti o all’indietro; regolando il campo elettrico, possono muoversi individualmente o secondo schemi coordinati, imitando il comportamento di un banco di pesci. I ricercatori lo spiegano perché il robot si trova in un fiume in movimento e allo stesso tempo causa lo spostamento del fiume.
Superare i vincoli di potenza: progettazione radicale dei circuiti
La miniaturizzazione presenta un altro ostacolo: spazio limitato per fonti di alimentazione, memoria e circuiti. I robot funzionano con soli 75 nanowatt, oltre 100.000 volte meno del consumo di uno smartwatch. Per risolvere questo problema, gli ingegneri dell’Università del Michigan hanno sviluppato progetti di circuiti completamente nuovi che funzionano a basse tensioni, riducendo il fabbisogno energetico del robot di oltre 1.000 volte. I pannelli solari occupano gran parte della superficie del robot, quindi il team ha dovuto condensare radicalmente le istruzioni di programmazione.
Comunicazione attraverso il movimento: la “danza del movimento”
I micro-robot includono sensori in grado di rilevare la temperatura con elevata precisione (entro un terzo di grado Celsius). Per riferire i loro risultati, utilizzano un metodo di comunicazione unico ispirato alle api mellifere. Codificano i dati in una “danza oscillante”, uno specifico modello di movimento che i ricercatori possono decodificare utilizzando un microscopio e una fotocamera. Ciò consente ai robot di trasmettere informazioni senza richiedere complessi sistemi wireless.
Implicazioni future
Gli attuali robot possono già percepire i cambiamenti di temperatura, rendendoli potenzialmente utili per monitorare l’attività cellulare e valutare la salute delle cellule. Ma ora sono state gettate le basi per capacità ancora più avanzate. Con un ulteriore perfezionamento, questi micro-robot potrebbero incorporare sensori aggiuntivi e navigare in ambienti sempre più complessi, aprendo possibilità nella somministrazione mirata di farmaci, nel monitoraggio ambientale o persino nella produzione di precisione.
“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”, ha affermato Marc Miskin, ingegnere capo dell’Università della Pennsylvania. Questa svolta non solo risolve un annoso problema della robotica, ma apre anche una nuova era di possibilità per macchine autonome ultra-piccole.
