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I microrobot intelligenti camminano autonomamente con “cervelli” elettronici

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Smart microrobots walk autonomously with electronic 'brains' Robot microscopici autonomi.(HA) Un robot microscopico accanto a una formica. (B) Una vista ingrandita del robot. Il robot è composto da tre pezzi principali: un circuito integrato per controllare il robot, gambe per consentire al robot di camminare e PV per alimentare sia le gambe che il circuito. (VS) Ulteriore immagine ingrandita che mostra una gamba del robot. È costituito da pannelli rigidi di SiO2 e SEA, cardini attivi che forniscono il movimento. (D) Immagine del layout CAD per il circuito con etichettati i blocchi del circuito primario. (e) Immagine al microscopio ottico del circuito di controllo per i robot microscopici. Barra della scala, 20 μm. Il circuito ha otto uscite che forniscono onde quadre sfasate con un’ampiezza di tensione di circa 0,6 V. La frequenza di queste onde quadre può essere impostata cablando la “selezione della frequenza” del circuito. PTAT, proporzionale alla temperatura assoluta. Credito: Scienza Robotica (2022). DOI: 10.1126/scirobotics.abq2296

I ricercatori della Cornell University hanno installato “cervelli” elettronici su robot a energia solare di dimensioni comprese tra 100 e 250 micrometri, più piccoli della testa di una formica, in modo che possano camminare autonomamente senza essere controllati dall’esterno.

Mentre i ricercatori della Cornell e altri hanno precedentemente sviluppato macchine microscopiche in grado di gattonare, nuotare, camminare e ripiegarsi, c’erano sempre “corde” attaccate; per generare movimento, i cavi sono stati utilizzati per fornire corrente elettrica o i raggi laser dovevano essere focalizzati direttamente su posizioni specifiche sui robot.

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“Prima dovevamo letteralmente manipolare queste ‘stringhe’ per ottenere qualsiasi tipo di risposta dal robot”, ha affermato Itai Cohen, professore di fisica. “Ma ora che abbiamo questi cervelli a bordo, è come togliere i fili alla marionetta. È come quando Pinocchio prende conoscenza”.

L’innovazione pone le basi per una nuova generazione di dispositivi microscopici in grado di tracciare batteri, fiutare sostanze chimiche, distruggere sostanze inquinanti, condurre microchirurgia e rimuovere la placca dalle arterie.

Il progetto ha riunito ricercatori dei laboratori di Cohen, Alyosha Molnar, professore associato di ingegneria elettrica e informatica; e Paul McEuen, professore di scienze fisiche, tutti co-autori senior sulla carta. L’autore principale è il ricercatore post-dottorato Michael Reynolds.

Il documento del team, “Microscopic Robots with Onboard Digital Control”, pubblicato il 21 settembre a Scienza Robotica.

Il “cervello” dei nuovi robot è un circuito di clock CMOS (metal-oxide-semiconductor) complementare che contiene mille transistor, oltre a una serie di diodi, resistori e condensatori. Il circuito CMOS integrato genera un segnale che produce una serie di frequenze di onde quadre sfasate che a loro volta determinano l’andatura del robot. Le gambe del robot sono attuatori a base di platino. Sia il circuito che le gambe sono alimentati da fotovoltaico.

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“Alla fine, la capacità di comunicare un comando ci consentirà di dare istruzioni al robot e il cervello interno capirà come eseguirle”, ha detto Cohen. “Poi stiamo conversando con il robot. Il robot potrebbe dirci qualcosa sul suo ambiente e quindi potremmo reagire dicendogli: ‘OK, vai laggiù e prova a scoprire cosa sta succedendo.'”

I nuovi robot sono circa 10.000 volte più piccoli dei robot su macroscala dotati di elettronica CMOS integrata e possono camminare a velocità superiori a 10 micrometri al secondo.

Il processo di fabbricazione progettato da Reynolds, sostanzialmente personalizzando l’elettronica costruita in fonderia, ha portato a una piattaforma che può consentire ad altri ricercatori di equipaggiare robot microscopici con le proprie app, dai rivelatori chimici agli “occhi” fotovoltaici che aiutano i robot a navigare rilevando i cambiamenti nella luce .

“Quello che questo ti fa immaginare sono robot microscopici davvero complessi e altamente funzionali che hanno un alto grado di programmabilità, integrati non solo con attuatori, ma anche con sensori”, ha affermato Reynolds. “Siamo entusiasti delle applicazioni in medicina – qualcosa che potrebbe muoversi nei tessuti e identificare le cellule buone e uccidere le cellule cattive – e nella bonifica ambientale, come se avessi un robot che sapesse come abbattere le sostanze inquinanti o rilevare una sostanza chimica pericolosa e liberatene».


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