Robot millimetrici controllati con campi magnetici

Gli scienziati dell’Università tecnologica di Nanyang, Singapore (NTU Singapore) hanno sviluppato robot millimetrici controllati con campi magnetici. Questi robot sono in grado di eseguire manipolazioni altamente manovrabili e destre, e potrebbero avere un grande impatto in campi come la biomedicina e la produzione.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista scientifica Advanced Materials nel mese di maggio.

Costruire su robot di piccola scala esistenti

I robot miniaturi sono stati creati incorporando microparticelle magnetiche in polimeri biocompatibili, che sono materiali non tossici per gli esseri umani. I robot sono programmati in modo che, quando vengono applicati campi magnetici, eseguono le loro funzionalità desiderate.

La nuova tecnologia si basa su robot di piccola scala esistenti, e le nuove aggiunte includono una capacità ottimizzata di muoversi in sei gradi di libertà (DoF), che è il movimento traslazionale lungo i tre assi spaziali e il movimento rotazionale intorno a quegli assi, o angoli di rollio, beccheggio e imbardata.

I ricercatori hanno già sviluppato in precedenza robot miniaturi con sei DoF, ma le nuove versioni possono ruotare 43 volte più veloci nel sesto DoF critico, a condizione che la loro orientamento sia precisamente controllato.

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A causa dell’utilizzo di materiali “soft” nella loro costruzione, i robot possono replicare le qualità meccaniche. Ad esempio, uno può nuotare mentre un altro può afferrare, raccogliere e posizionare oggetti miniaturi con precisione.

Il professor associato Lum Guo Zhan della Scuola di medicina e ingegneria aerospaziale è l’autore principale dello studio.

Secondo il professor Lum, il principale progresso dipende fortemente dalla scoperta del “elusivo” terzo e ultimo vettore principale dei campi magnetici. Prima di questa scoperta, i campi magnetici applicati erano definiti solo in termini di due vettori principali.

“Il mio team ha cercato di scoprire i principi di funzionamento fondamentali dei robot miniaturi che hanno sei DoF attraverso questo lavoro. Comprendendo appieno la fisica di questi robot miniaturi, siamo ora in grado di controllarne con precisione i movimenti. Inoltre, il nostro metodo di fabbricazione proposto può magnetizzare questi robot per produrre 51-297 volte più grandi sei DoF di coppia rispetto ad altri dispositivi esistenti. I nostri risultati sono quindi fondamentali e rappresentano un progresso significativo per le tecnologie robotiche di piccola scala”, ha dichiarato il professor Lum.

I robot miniaturi misurano circa le dimensioni di un granello di riso, quindi sono utili quando si cerca di raggiungere spazi confinati e chiusi che limitano i robot di grandi dimensioni. Ciò significa che il nuovo sviluppo è particolarmente utile in medicina.

I robot possono essere controllati a distanza da un operatore e da un programma in esecuzione su un computer di controllo. Il programma altera la forza e la direzione dei campi magnetici generati da un sistema di bobine elettromagnetiche.

In medicina, i robot miniaturi potrebbero raggiungere certi organi vitali come il cervello, ma ci vorranno molti altri test e aggiustamenti prima che possano essere applicati in questo modo.

I coautori della ricerca includono gli studenti di dottorato Xu Changyu e Yang Zilin della Scuola di ingegneria meccanica e aerospaziale.

“Oltre alla chirurgia, i nostri robot potrebbero essere utili anche in applicazioni biomediche come l’assemblaggio di dispositivi lab-on-chip che possono essere utilizzati per la diagnostica clinica integrando diversi processi di laboratorio su un unico chip”, hanno detto.

Test dei robot

Il team di ricerca ha testato i robot in esperimenti di laboratorio e ha dimostrato la loro destrezza e velocità.

Con un robot ispirato alle meduse, il team lo ha controllato per nuotare attraverso una barriera di apertura stretta quando sospeso in acqua. Questo esperimento ha dimostrato come i robot possano negoziare barriere in ambienti dinamici e incerti, il che significa che in futuro potrebbero essere utilizzati per applicazioni biomediche mirate come procedure chirurgiche.

Il robot miniaturizzato ha anche superato la rotazione più veloce di qualsiasi altro robot miniaturizzato esistente.

Il team di ricerca cercherà ora di rendere i robot ancora più piccoli, portandoli a poche centinaia di micrometri. Vogliono anche renderli completamente autonomi.