Microrobot nuotatori più piccoli di granelli di sabbia possiedono una potenza di calcolo sufficiente per eseguire compiti semplici in modo autonomo
Piccoli robot che nuotano nel nostro sangue per distribuire farmaci o dare la caccia agli agenti patogeni sono stati per decenni un punto fermo della fantascienza. Anche se ancora distante, quella visione è un passo avanti verso la realtà ora che gli ingegneri elettrici hanno svelato microrobot nuotatori più piccoli di granelli di sabbia con una potenza di calcolo sufficiente per svolgere un compito semplice da soli, invece di essere costantemente guidati da segnali esterni.
«È fantastico», afferma il dottor Daniel Goldman (1), fisico del Georgia Institute of Technology specializzato in robot più grandi che imitano gli animali. Non è stato coinvolto nel lavoro, che è stato riferito in una riunione dell'American Physical Society. «Chiaramente, stanno mettendo insieme l'infrastruttura in modo che si possa iniziare a creare robot potenzialmente autonomi su microscala».
«Realizzare l'ambizione dei microrobot autonomi è stato difficile per diversi motivi», afferma il dottor Marc Miskin (2), un ingegnere elettrico dell'University of Pennsylvania (UPenn) il cui gruppo ha creato i nuovi robot. Per rendere autonomo un microrobot è necessario incorporare una sorta di computer e solo intorno al 2020 le dimensioni del computer più piccolo sono scese al di sotto di 1 millimetro, afferma Miskin. «I sistemi informatici erano un po' troppo grandi fino a 5 o 6 anni fa», afferma. Inoltre, far sì che la microelettronica si integri con i sistemi meccanici del robot è difficile, così come far funzionare il tutto con minuscole quantità di energia.
Per superare questi ostacoli, Miskin e i suoi colleghi dovettero prima procurarsi un computer microscopico. Si sono rivolti al dottor David Blaauw, un ingegnere elettrico e collaboratore dell'University of Michigan, che ha prodotto un chip a microprocessore la cui misura è di circa 100 micrometri di larghezza e contiene solo 128 bit di memoria programmabile.
Successivamente, la dottoressa Maya Lassiter (3), ingegnere elettrico della UPenn, e i suoi colleghi hanno preso un wafer contenente migliaia di copie del processore e ci hanno costruito sopra un piccolo esercito di robot. Dopo aver depositato più materiali sul wafer, Lassiter ha utilizzato tecniche di litografia standard per incidere le altre parti dei robot. Ciascuno è un rettangolo lungo circa 300 micrometri e largo 200 micrometri, grosso modo la dimensione di un paramecio. Molti microrobot camminano su superfici asciutte utilizzando minuscole zampe. Tuttavia, queste appendici ultrasottili sono difficili da realizzare e si consumano in poche settimane. Quindi, Lassiter e Miskin hanno invece progettato un microrobot nuotatore che non ha parti mobili.
I piccoli aggeggi nuotano in una soluzione di perossido di idrogeno diluito in un piatto poco profondo sul tavolo del microscopio. Invece delle pinne, il robot ha un elettrodo su ogni angolo. Impostando i due elettrodi su qualsiasi lato del robot a tensioni diverse si produce un campo elettrico che punta da un elettrodo all'altro. Il campo spinge il fluido leggermente ionico in una direzione e spinge il robot nella direzione opposta, verso l'elettrodo a voltaggio più elevato. Variando le tensioni sugli elettrodi, i ricercatori possono far muovere il robot avanti o indietro, scivolare lateralmente girare o addirittura girarsi. Inoltre, privati dei loro arti delicati, i robot continuano a nuotare fino a 6 mesi.
Per l'energia, il robot fa affidamento su una minuscola cella solare, che assorbe la luce dal microscopio. Grazie alla semplicità del microchip da 128 bit, il robot funziona con soli 75 nanowatt, un paio di millesimi della potenza consumata da un moderno pacemaker.
Alla fine, il team ha messo in funzione le piccole macchine. Prima di liberarli, i ricercatori li hanno programmati tramite una sequenza di lampi luminosi. I robot sono dotati di un semplice sensore di temperatura e i ricercatori hanno chiesto loro di misurare la temperatura del fluido circostante e di telegrafarne il valore. Nell'arco di pochi secondi, un robot ballerebbe a scatti, programmato in modo che i suoi arresti e le sue partenze indicassero come numero binario la temperatura in gradi Celsius.
«Il movimento del robot è, in effetti, un dato», ha detto Lassiter durante l'incontro. I ricercatori hanno confermato che i robot funzionavano come programmato variando la temperatura e confrontando le letture con i valori di un termometro macroscopico posto nella soluzione.
Secondo il dottor Daniel Goldman «L'esperimento è solo un primo passo. In questo momento, le macchine nuotano in un ambiente 2D pulito, l'equivalente microrobotico della piscina per bambini. Per essere più utili, dovranno navigare nel mondo reale 3D, molto più disordinato. Sarà molto divertente osservare [i ricercatori] affrontare le sfide legate al movimento in ambienti complessi e su scala microscopica».
La dottoressa Maya Lassiter dice che la squadra ha anche altre ambizioni. Gli elettrodi possono anche percepire i campi elettrici, il che potrebbe consentire ai robot di comunicare tra loro e funzionare in modo cooperativo. «La comunicazione tra robot richiederà una riprogettazione», afferma. «Quindi questo è ciò che ci interessa ora».
Riferimenti:
(1) Daniel Goldman
(2) Marc Miskin
(3) Maya Lassiter
Descrizione foto: Questo robot microscopico misura la temperatura e, danzando secondo uno schema, la segnala ai ricercatori. - Credit: Maya Lassiter/University of Pennsylvania.