Questi sono i robot autonomi più piccoli al mondo
Gli ingegneri dell’Università della Pennsylvania e dell’Università del Michigan hanno sviluppato i robot autonomi e programmabili più piccoli al mondo: micromacchine in grado di nuotare, rispondere a stimoli ambientali, operare per mesi e costare un solo centesimo ciascuna.
Progettazione e caratteristiche dei microrobot
I nuovi microrobot progettati dai ricercatori delle università di Pennsylvania e Michigan rappresentano una svolta tecnologica senza precedenti nel campo della robotica su scala microscopica. Le dimensioni di ciascun dispositivo sono dell’ordine di 200 x 300 x 50 micrometri, inferiori a quelle di un granello di sale. Nonostante la loro scala estremamente ridotta, questi robot integrano un computer programmabile, sensori, sistema di propulsione e alimentazione autonoma.
A differenza delle tecnologie precedenti che si affidavano a campi magnetici, collegamenti esterni o comandi remoti, questi dispositivi sono i primi a operare in maniera autonoma e completamente programmabile a dimensioni sub-millimetriche. Ogni robot è alimentato da una sorgente di luce, come un LED, e può funzionare ininterrottamente per mesi.
Superamento delle barriere fisiche della robotica su scala micro
Storicamente, la miniaturizzazione della robotica ha incontrato limiti fisici significativi. La maggior parte delle tecnologie robotiche è rimasta in stallo nella fascia sopra il millimetro a causa delle complesse dinamiche fisiche che emergono su scala microscopica. Quando le dimensioni si avvicinano a quelle di una cellula, le forze dominanti cambiano: la gravità e l’inerzia perdono importanza, mentre prevalgono attriti viscosi e resistenze superficiali.
La locomozione convenzionale basata su arti meccanici non è funzionale in questi ambienti. A tale scala, componenti come gambe e braccia diventano fragili e inaffidabili, sia per difficoltà costruttive sia per incompatibilità con le dinamiche fluide del microambiente. Questo ha richiesto lo sviluppo di nuovi paradigmi di propulsione.
Sistemi di propulsione basati su campi elettrici
Il sistema di movimento impiegato nei microrobot sfrutta un meccanismo completamente innovativo. Invece di spingere fisicamente contro l’acqua come fanno i pesci, questi robot generano campi elettrici localizzati che spostano ioni presenti nel fluido circostante. A loro volta, gli ioni spingono le molecole d’acqua creando un flusso che mette in movimento il robot.
Questa strategia consente ai robot di muoversi anche in schemi complessi o in formazione, raggiungendo velocità fino a un’intera lunghezza corporea al secondo. Poiché il sistema è privo di parti mobili, garantisce un’elevata durabilità: i robot possono essere trasferiti tra ambienti diversi utilizzando micropipette senza subire danni.
Integrazione elettronica su scala sub-millimetrica
L’integrazione elettronica è stata resa possibile grazie alle tecnologie sviluppate dal team del professor David Blaauw presso l’Università del Michigan. Questo gruppo detiene il record per il più piccolo computer al mondo. La collaborazione con il gruppo di Marc Miskin della University of Pennsylvania ha unito le competenze nella propulsione microscopica e nella microelettronica a bassissimo consumo.
La potenza disponibile per ogni robot, fornita da microcelle solari, è estremamente limitata: appena 75 nanowatt, un valore oltre 100.000 volte inferiore a quello di uno smartwatch. Per operare in queste condizioni, sono stati progettati circuiti elettronici capaci di lavorare a tensioni bassissime e con consumi ridotti di oltre 1000 volte rispetto agli standard.
Lo spazio occupato dai pannelli solari impone forti vincoli dimensionali per la logica computazionale. Il processore e la memoria devono occupare frazioni minime dell’area disponibile, rendendo necessaria una ripianificazione completa delle istruzioni software. Il team ha creato una nuova architettura in cui operazioni complesse, come la regolazione della propulsione, sono condensate in singoli comandi ottimizzati.
Capacità sensoriali e programmazione comportamentale
Grazie all’elettronica integrata, i microrobot sono in grado di rilevare, elaborare e reagire agli stimoli ambientali. I sensori incorporati misurano la temperatura con una precisione di un terzo di grado Celsius, consentendo ai robot di dirigersi verso fonti di calore o di raccogliere dati termici, utilizzabili per monitorare attività cellulari o anomalie nei tessuti.
Un’ulteriore innovazione è costituita dalla modalità di trasmissione dei dati: i robot comunicano tramite sequenze di movimenti codificati, che fungono da linguaggio. Tali “danze” possono essere osservate al microscopio per decifrare i valori rilevati, una strategia paragonabile alla comunicazione delle api tramite il waggle dance.
Ogni robot può essere programmato tramite impulsi luminosi, che fungono anche da fonte energetica. Il sistema prevede indirizzi univoci per ogni dispositivo, permettendo la programmazione differenziata su larga scala. Questo apre alla possibilità di impiegare sciami di robot cooperanti, ciascuno con un compito specifico all’interno di una rete operativa distribuita.
Processo produttivo e scalabilità
Il metodo di fabbricazione sviluppato consente la produzione in massa di centinaia di robot per singolo wafer. Dopo l’integrazione elettronica, i dispositivi possono essere distaccati e programmati singolarmente o in blocco.
La struttura modulare del progetto consente un’estrema flessibilità: il sistema di propulsione è compatibile con diversi layout elettronici, le componenti possono essere realizzate tramite tecnologie a basso costo, e l’architettura software permette l’aggiunta di nuove funzionalità senza ridisegnare l’intero robot.
Il design è stato pensato come una piattaforma tecnologica scalabile: si possono integrare sensori avanzati, espandere la capacità di memoria, migliorare la velocità di spostamento o adattare l’elettronica a condizioni operative complesse, compresi ambienti biologici o industriali.
Applicazioni potenziali e implicazioni future
Le implicazioni di questa tecnologia sono significative. Il livello di integrazione raggiunto apre la strada a microrobot in grado di:
- Monitorare parametri cellulari in tempo reale, utile in ambito medico e diagnostico;
- Partecipare a processi di manifattura su scala micro, per l’assemblaggio di circuiti o componenti nanotecnologici;
L’autonomia operativa e la capacità di decisione locale rendono questi dispositivi candidati ideali per interventi mini-invasivi nel corpo umano, ad esempio per il rilascio localizzato di farmaci o l’analisi di biomarcatori a livello intracellulare. In ambito industriale, potrebbero essere utilizzati per operazioni di ispezione o controllo qualità in ambienti estremi o di difficile accesso.
Collaborazione e supporto istituzionale
Lo sviluppo dei microrobot è frutto della collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi della University of Pennsylvania e il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della University of Michigan. I progetti sono stati sostenuti da numerose agenzie di ricerca, tra cui:
- National Science Foundation (NSF)
- Air Force Office of Scientific Research (AFOSR)
- Army Research Office (ARO)
- Packard Foundation e Sloan Foundation
- National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI)
Numerosi ricercatori hanno contribuito al progetto, inclusi Maya M. Lassiter, Kyle Skelil, Lucas C. Hanson, Scott Shrager, William H. Reinhardt, Tarunyaa Sivakumar e Mark Yim dell’Università della Pennsylvania, e Dennis Sylvester, Li Xu e Jungho Lee dell’Università del Michigan.
Una piattaforma per l’evoluzione della robotica miniaturizzata
L’integrazione di cervello, sensori e propulsione in un robot sub-millimetrico rappresenta un punto di svolta nella storia della robotica. Il sistema sviluppato costituisce una base tecnologica stabile su cui costruire nuovi livelli di complessità. Ogni elemento — dal motore ionico alla computazione ottimizzata — è progettato per funzionare in sinergia e aprire nuove traiettorie di sviluppo.
Con un costo unitario ridottissimo, capacità operative prolungate e versatilità applicativa, questi microrobot costituiscono un milestone nella miniaturizzazione tecnologica. Il loro impiego futuro potrebbe cambiare radicalmente la medicina di precisione, la microfabbricazione e le tecnologie distribuite su larga scala.