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Piccoli robot a vibrazione sono le dimensioni della formica più piccola del mondo

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Sciami di questi 'micro-setole-bot' potrebbero lavorare insieme per percepire i cambiamenti ambientali, spostare materiali o forse un giorno riparare lesioni all'interno del corpo umano

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I ricercatori hanno creato un nuovo tipo di piccolo robot stampato in 3D che si muove sfruttando le vibrazioni provenienti da attuatori piezoelettrici, sorgenti ad ultrasuoni o anche piccoli altoparlanti. Sciami di questi "micro-setole-bot" potrebbero lavorare insieme per percepire i cambiamenti ambientali, spostare materiali o forse un giorno riparare lesioni all'interno del corpo umano.

I robot prototipo rispondono a diverse frequenze di vibrazione a seconda della loro configurazione, consentendo ai ricercatori di controllare i singoli bot regolando la vibrazione. Lungo circa due millimetri circa due millimetri circa le dimensioni della formica più piccola del mondo - i bot possono coprire quattro volte la propria lunghezza in un secondo nonostante i limiti fisici delle loro piccole dimensioni.

"Stiamo lavorando per rendere robusta la tecnologia e abbiamo in mente molte potenziali applicazioni", ha detto Azadeh Ansari, assistente professore alla Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica del Georgia Institute of Technology. "Stiamo lavorando all'incrocio tra meccanica, elettronica, biologia e fisica. E' una zona molto ricca e c'e' molto spazio per concetti multidisciplinari"

Un articolo che descrive i micro-bot di setole è stato accettato per la pubblicazione sul Journal of Micromechanics and Microengineering. La ricerca è stata sostenuta da una borsa di studio del Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology. Oltre ad Ansari, il team di ricerca comprende George W. Woodruff School of Mechanical Engineering Associate Professor Jun Ueda e gli studenti laureati DeaGyu Kim e Zhijian (Chris) Hao.

I micro-bot sono costituiti da un attuatore piezoelettrico incollato su un corpo polimerico stampato in 3D mediante litografia a polimerizzazione a due fotoni (TPP). L'attuatore genera vibrazioni ed è alimentato esternamente perché le batterie non sono abbastanza piccole da potersi adattare al bot. Le vibrazioni possono provenire anche da uno scuotitore piezoelettrico sotto la superficie su cui si muovono i robot, da una sorgente ultrasuonar o addirittura da un minuscolo diffusore acustico.

Le vibrazioni muovono le gambe elastiche su e giù, spingendo il micro-bot in avanti. Ogni robot può essere progettato per rispondere a diverse frequenze di vibrazione a seconda delle dimensioni delle gambe, del diametro, del design e della geometria complessiva. L'ampiezza delle vibrazioni controlla la velocità di movimento dei micro-bot.

"Mentre i micro-setole-bot si muovono su e giù, il movimento verticale si traduce in un movimento direzionale ottimizzando il disegno delle gambe, che sembrano setole", spiega Ansari. "Le gambe del micro-robot sono progettate con angoli specifici che permettono loro di piegarsi e muoversi in una direzione in risposta risonante alla vibrazione"

I micro-setole-bot sono realizzati in una stampante 3D con il processo TPP, una tecnica che polimerizza un materiale monomerico in resina. Una volta che la parte del blocco di resina colpita dalla luce ultravioletta è stata sviluppata chimicamente, il resto può essere lavato via, lasciando la struttura robotica desiderata.

"Si tratta di scrivere piuttosto che di litografia tradizionale", ha spiegato Ansari. "Ti rimane la struttura che scrivi con un laser sul materiale in resina. Il processo ora richiede un bel po' di tempo, quindi stiamo cercando dei modi per scalare il processo fino a creare centinaia o migliaia di micro-bot alla volta" Alcuni robot hanno quattro gambe, mentre altri ne hanno sei. Il primo autore DeaGyu Kim ha realizzato centinaia di piccole strutture per determinare la configurazione ideale.

Gli attuatori piezoelettrici, che utilizzano il materiale titanato di zirconato di piombo (PZT), vibrano quando viene applicata loro una tensione elettrica. Al contrario, possono anche essere utilizzati per generare una tensione, quando sono vibrati, una capacità che i micro-bot potrebbero utilizzare per alimentare i sensori di bordo quando sono azionati da vibrazioni esterne.

Ansari e il suo team stanno lavorando per aggiungere la capacità di sterzo ai robot unendo due microsetole-bot leggermente diversi tra loro. Poiché ciascuno dei micro-bot uniti risponderebbe a diverse frequenze di vibrazione, la combinazione potrebbe essere guidata variando le frequenze e le ampiezze. "Una volta che hai un micro-robot completamente orientabile, puoi immaginare di fare un sacco di cose interessanti", ha detto.

Altri ricercatori hanno lavorato su micro-robot che usano i campi magnetici per produrre movimento, ha osservato Ansari. Mentre questo è utile per spostare interi sciami contemporaneamente, le forze magnetiche non possono essere facilmente utilizzate per indirizzare singoli robot all'interno di uno sciame. I micro-setole-bot creati da Ansari e dal suo team sono considerati i più piccoli robot alimentati da vibrazioni.

I micro-setole-bot sono lunghi circa due millimetri, larghi 1,8 millimetri e spessi 0,8 millimetri, e pesano circa cinque milligrammi. La stampante 3D può produrre robot più piccoli, ma con una massa ridotta, le forze di adesione tra i piccoli dispositivi e una superficie possono diventare molto grandi. A volte, i micro-bot non possono essere separati dalle pinzette usate per raccoglierli.

Ansari e il suo team hanno costruito un "parco giochi" in cui più micro-bot possono muoversi mentre i ricercatori imparano di più su ciò che possono fare. Sono anche interessati a sviluppare micro-bot in grado di saltare e nuotare.

"Possiamo guardare al comportamento collettivo delle formiche, per esempio, e applicare ciò che impariamo da loro ai nostri piccoli robot", ha aggiunto. "Questi micro-bot di setole camminano bene in un ambiente di laboratorio, ma c'è molto di più che dovremo fare prima che possano uscire nel mondo esterno"