La ricerca nel campo della microrobotica è da tempo tesa a esplorare la riconfigurazione collettiva su scala micro, per superare definitivamente i limiti imposti dai micrometri e aprire sempre di più alle applicazioni in settori quali Ambiente e Biomedicina.

TAKEAWAY

• Un recente studio in tema di microrobot e riconfigurazione degli sciami – che vede coinvolti un Ateneo tedesco, uno americano e uno cinese – è approdato a un sistema in grado di passare da comportamenti collettivi gestiti dall’esterno a comportamenti dominati dalle interazioni reciproche tra i microrobot.
• Questo doppio comportamento rende il nuovo sistema particolarmente versatile e riconfigurabile su richiesta, aprendo la strada ad attività eterogenee, tra cui l’utilizzo come collettivo di micromacchine per applicazioni di risanamento ambientale volte a, ad esempio, a ripulire fiumi e mari da agenti inquinanti.
• Tra i futuri progetti di ricerca, lo sviluppo di sistemi microrobotici sempre più piccoli, composti da particelle della grandezza di un micrometro, oltre al superamento dell’ancora scarsa capacità – da parte dei microrobot – di sopportare la forza, il che limita le dimensioni degli oggetti da spingere o da trasportare.

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Nel mondo animale, l’operatività dei gruppi si fonda sulla cosiddetta “riconfigurazione”, movimento interno che consente di modificare la struttura del collettivo (ossia dello “sciame”), in modo da permettere a quest’ultimo di svolgere compiti diversificati e sempre più complessi in ambienti differenti. Pensiamo, ad esempio, ai modelli di sciame tipici degli stormi di uccelli, così come dei banchi di pesci. Trasposto su una scala più piccola, il concetto rimanda al processo di adattamento degli organismi all’ambiente e alle sue ostilità, giungendo a espletare tutte le funzioni che li caratterizzano. Ebbene, ispirandosi all’adattabilità e alla plasticità di questi “sistemi” naturali, gli ingegneri robotici – spiegano i ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), a Stuttgart, della Cornell University, a New York, e della Shanghai Jiao Tong University, in un articolo dal titolo “Microrobot collectives with reconfigurable morphologies, behaviors, and functions” – da tempo cercano di imitarne i comportamenti, trasferendoli a microrobot programmabili, capaci di lavorare e di interagire mediante la riconfigurazione degli sciami.

Ma, se su scala macro – osservano gli autori della ricerca illustrata nell’articolo – la riconfigurazione degli sciami di robot è un evento programmabile, funzionale al cambiamento della forma del collettivo, dei compiti al suo interno e delle modalità di locomozione, su scala micro, invece, «la riconfigurazione è piuttosto rara e avviene esclusivamente attraverso interazioni fisiche o chimiche, poiché, quando un robot è largo solo 300 micrometri, non è possibile programmarlo per mezzo di algoritmi».

Schemi di movimento coordinato e collettivo nella microrobotica

In tema di microrobot e riconfigurazione degli sciami, nell’impossibilità di una programmazione dei dispositivi mediante calcolo interno, gli strumenti a disposizione per permettere a robot dalle dimensioni di un capello di agire in collettivo e in maniera coordinata, sono essenzialmente i campi magnetici e l’ambiente fluido.

Su queste “forze” hanno puntato i ricercatori. Nella prima, sono i magneti a dominare la scena, esercitando attrazione o, al contrario, repulsione tra i microrobot. Nel caso dei fluidi, invece, è il loro movimento nell’acqua, il vortice che ognuno è in grado di creare, a influenzare il “gruppo” e a determinarne le interazioni al suo interno. Ma anche il loro semplice galleggiare nel fluido crea movimento, in quanto «due corpi che galleggiano uno accanto all’altro, tendono a spostarsi l’uno verso l’altro».

La riconfigurazione puntuale del collettivo di microrobot si ha nel momento in cui questi danno vita a un unico sistema coordinato, capace di modificarsi e di cambiare forma – ad esempio – per seguire un dato percorso, per superare passaggi microscopici, allineandosi in fila per poi tornare a disperdersi. Oppure per eseguire un determinato compito che richiede la loro aggregazione, tra cui spingere un oggetto per trasportarlo.

Si tratta di riconfigurazioni degli sciami che intervengono sui movimenti interni e sulle funzioni del gruppo. Riconfigurazioni che il team di ricerca ha reso possibile attraverso un calcolo esterno, più precisamente mediante un algoritmo programmato per creare un campo magnetico rotante e oscillante che, a sua volta, attiva il movimento coordinato e collettivo idoneo al compito da svolgere.

Microrobot e riconfigurazione degli sciami: collettivo di micro-dischi guidato da campi magnetici variabili

In tema di microrobot e riconfigurazione degli sciami, il collettivo messo a punto dai ricercatori – oggetto dello studio citato – è composto da 120 micro-dischi leggermente più grandi di un capello, galleggianti su una superficie d’acqua larga un centimetro.

Costituiti da un polimero ricoperto da uno strato di cobalto (il che fa di loro dei magneti in miniatura), sono guidati esternamente da campi magnetici variabili, al punto da permettere allo sciame diversi tipi di movimenti al suo interno, dal nuoto all’oscillazione, dalla rotazione alla staticità:

«I singoli micro-dischi sono dinamici, formano catene, si muovono attraverso gradienti di campo magnetico, eseguono traslazione e rotazione di oggetti basate sul contatto e sul flusso ed esplorano uno spazio aperto attraverso coppie di micro-dischi autopropulsori simili a gas»

Ogni comportamento dello sciame è abilitato da diverse interazioni tra particella e particella e tra particella e fluido, gestite dai campi magnetici esterni.

Ogni configurazione, inoltre, presenta ulteriori schemi collettivi, nonché «velocità angolare e velocità di locomozione». Sfruttando le capacità di riconfigurazione del sistema, vengono realizzate funzioni come «la navigazione collettiva attraverso ambienti confinati, il trasporto di oggetti basato sul contatto e senza contatto, la rotazione degli oggetti indotta dal flusso e la dispersione collettiva per esplorare le aree disponibili e dividerle in aree più piccole».

In particolare – sottolineano gli autori – sono due i tratti distintivi del sistema microrobotico sviluppato: il comportamento collettivo statico – composto da micro-dischi dinamici – e la formazione simile al gas, composta da coppie semoventi.

Quello che, rispetto al passato, i ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), della Cornell University e della Shanghai Jiao Tong University sono riusciti a fare, è l’avere ideato un sistema microrobotico in grado di passare da un comportamento collettivo gestito dall’esterno a un comportamento che, invece, è dominato dalle interazioni reciproche tra i micro-dischi.

Questa doppia modalità di comportamento lo rende particolarmente versatile, riconfigurabile su richiesta, aprendo la strada a molteplici attività, dall’autoassemblaggio e confezionamento su microscala fino ad arrivare al suo utilizzo come collettivo di micromacchine riconfigurabili per applicazioni di risanamento ambientale (ad esempio, liberare fiumi e mari dalla plastica), oltre alle più note applicazioni in campo biomedico. Precisa il team:

«Un’altra caratteristica dello sciame di microrobot guidato da campi magnetici variabili è che anche un numero esiguo di micro-dischi – addirittura fino a sette – è sufficiente a mostrare gli schemi di movimento coordinato e collettivo descritti. Capacità, questa, utile in quegli scenari in cui vi è l’esigenza di suddividere lo sciame in gruppi più piccoli, pur mantenendo la medesima capacità di riconfigurazione»

Microrobot e riconfigurazione degli sciami: applicazioni e obiettivi futuri

L’ambito biomedico – specie per trattamenti minimamente invasivi, applicazioni di drug delivery o per il traporto di altri carichi all’interno del corpo umano – sarà sempre di più, da qui ai prossimi dieci anni, aperto all’utilizzo di microrobot programmabili, che operano e interagiscono con l’ambiente avvalendosi di modelli di riconfigurazione degli sciami.

Dal canto loro, gli interventi di risanamento ambientale, tesi, in particolare – come si è accennato – a operazioni di ripulitura per strategie anti-inquinamento, necessitano di collettivi microrobotici dai comportamenti guidati e semoventi, in grado di navigare in ambienti complessi, di percepire e di interagire con il contesto in cui si trovano.

Tra i futuri progetti di ricerca del team, lo sviluppo di collettivi microrobotici ancora più piccoli, composti da particelle della grandezza di un micrometro. L’obiettivo è ottenere nano-dispositivi mobili – programmabili e riconfigurabili – che possano raggiungere ambienti impraticabili per qualsisia altro strumento, navigando in micro-spazi eterogenei.

Un altro obiettivo è, poi, superare l’attuale limitazione del sistema messo a punto, data dalla sua «scarsa capacità di sopportare la forza, ponendo, così, limiti alle dimensioni degli oggetti da spingere o da trasportare».

Problema, questo- spiega il gruppo di lavoro – risolvibile aumentando la dimensione dello stesso sciame oppure ricorrendo a gradienti di campo magnetico più intensi.