Questi Millirobot stampati in 3D possono percepire e reagire all'ambiente circostante

Il millirobot sembrava un adorabile veicolo da cartone animato mentre navigava abilmente in un labirinto complesso. È una creatura strana: il fondo ricorda un recinto crollato; la parte superiore, un cestino simile a uno scolapasta. Grande quanto un centesimo, sembra fragile e assolutamente senza pretese.

Ma al centro c’è un potenziale cambiamento di paradigma per la costruzione di robot autonomi in grado di percepire e rispondere al proprio ambiente locale. A differenza dei robot classici, che sono assemblati con più componenti, il millirobot lo è 3D stampato con un metamateriale dall'aspetto lattiginoso che può modificare in modo flessibile le sue proprietà con pochi colpi elettrici.

I metamateriali sembrano usciti da un fumetto, ma il concetto è semplice. A differenza del legno, del vetro o di altri materiali statici su cui facciamo affidamento per mantenere la loro struttura, i metamateriali utilizzati nello studio, i materiali piezoelettrici, cambiano facilmente la loro struttura quando vengono colpiti da un campo elettromagnetico. Ciò consente al materiale di torcersi, contorcersi, restringersi o espandersi. Mappa ogni movimento ed è possibile costruire e guidare un robot.

Per costruire il bot, il team progettato un’impostazione di stampa 3D per stampare strutture robotiche utilizzando materiali piezoelettrici. Come ulteriore componente aggiuntivo, il team ha fornito ai robot un bagliore a ultrasuoni, incorporando componenti nel materiale, che ha aiutato i robot a trasformare le vibrazioni in elettricità per percepire l’ambiente.

I millibot hanno imparato a camminare, saltare e fuggire autonomamente da potenziali ostacoli in tempo reale. Potrebbero anche fare una mini-escursione sulla spiaggia in laboratorio, navigando facilmente attraverso un terreno accidentato e sabbioso parzialmente ricoperto di vegetazione.

I robot, sebbene ancora rudimentali, un giorno potrebbero aiutare a somministrare farmaci in spazi ristretti nei nostri corpi, se rimpiccioliti. Possono anche fungere da esploratori economici, piccoli ma potenti per esplorare ambienti nuovi o pericolosi.

Al Dott. Ahmad Rafsanjani del Centro di Robotica Morbida, Università della Danimarca Meridionale, chi non era coinvolto nello studio, i millibot portano alla ribalta i metamateriali come un nuovo modo di costruire robot autonomi. Lo studio "evidenzia una visione più ampia dei 'materiali robotici' in cui il confine tra materiali e macchine diventa indiscernibile", ha scritto in un commento correlato. “La produzione additiva di metamateriali piezoelettrici può portare alla materializzazione di robot completamente integrati che potrebbero eventualmente uscire direttamente da una stampante 3D”.

Meta-cosa?

I metamateriali sono strani. Ma grazie alle loro proprietà esotiche, gli scienziati hanno prontamente esplorato i potenziali usi di queste strane anatre. Un classico è l'ottica. I metamateriali sono spesso costituiti da componenti che interagiscono in modo flessibile con le onde elettromagnetiche, inclusa la luce. In un certo senso, sono simili agli obiettivi o agli specchi delle fotocamere, ma con il superpotere di cambiare rapidamente il modo in cui dirigono ogni onda luminosa. In teoria, una struttura creata con cura da metamateriali potrebbe revisionare tutti i tipi di occhiali, dalle lenti del microscopio a quelle dei nostri volti.

Più recentemente, gli scienziati hanno iniziato a esplorare altri usi. Uno dei maggiori sforzi è quello di incorporare materiali piezoelettrici in chip neuromorfici, che simulano approssimativamente il modo in cui il cervello calcola e memorizza le informazioni. Modificando le proprietà di questi materiali con campi elettrici, gli scienziati possono approssimare il modo in cui funzionano le sinapsi con energia ultrabassa. Altri studi ha sfruttato la capacità acrobatica dei metamateriali di trasformare la propria forma, creando strutture che convertono il movimento lineare, ad esempio la camminata di un granchio, in rotazioni e ingranaggi meccanici. È come se le tue gambe si trasformassero improvvisamente in ruote girevoli.

Sì, i metamateriali sono strani. Come funzionano?

Aiuta immaginarli come TV in scatola vecchia scuola con antenne. Per regolare il canale, ovvero il comportamento del materiale, muovi le antenne finché la loro struttura non interagisce fortemente con le onde radio, e voilá, hai inchiodato lo stato del materiale. Può quindi essere miscelato con materiali convenzionali per costruire strutture complesse simili a reticoli preservandone le proprietà di metamorfosi. Questa flessibilità li rende una tela particolarmente intrigante per la progettazione di robot. Poiché sono una struttura quasi unica, a lungo termine potrebbero aiutare a costruire strutture intelligenti protesi meno soggetti a guasti, poiché non hanno parti meccaniche in movimento. Invece di saldarli, ora possono essere stampati in 3D. (Questo mi dà tutto Mondo dei robot vibrazioni—Dolores meccanica contro versione stampata lattiginosa, qualcuno?).

Stranger Things

I nuovi millibot sembrano un ibrido tra Wall-E e TARS, un robot increspato, pieghevole, simile a delle bacchette in Interstellar. Completamente stampati in 3D, hanno infranto il dogma convenzionale sulla costruzione di robot. Normalmente, un robot necessita di diversi componenti indipendenti: sensori per navigare nell’ambiente, microprocessori per il “cervello”, attuatori per il movimento e un alimentatore per azionare l’intero sistema. Ogni collegamento è soggetto a guasti.

Qui, il team ha integrato ogni componente in un unico progetto. Il primo ingrediente chiave sono i materiali piezoelettrici, che convertono i campi elettrici in tensione meccanica e viceversa. Sono i “muscoli” che guidano il movimento del robot. Ma fanno il triplo dovere. A seconda dello stato del metamateriale, può formare una spina dorsale simile alla ceramica per aiutare il millibot a mantenere la sua forma. Nella sua fase conduttiva, agisce come cellule nervose, catturando segnali elettromagnetici per controllare i “muscoli”. Ad aumentare ulteriormente l'abilità del robot è un elemento ultrasonico, fuso sul robot, che lo aiuta a percepire l'ambiente circostante.

Nel complesso, il semplice millibot ha essenzialmente più sistemi mescolati in un'unica sostanza appiccicosa bianca abbagliante: un sistema nervoso capace di rilevamento e attuazione, una componente "muscolare" e una struttura scheletrica. Lasciando cadere la sostanza appiccicosa in una stampante 3D, il team ha costruito sofisticati reticoli come la spina dorsale del robot, ciascuno accuratamente decorato con metalli conduttivi e proprietà piezoelettriche su regioni specifiche.

Il risultato? Un minuscolo robot che attinge ai campi elettrici per percepire e navigare nel suo ambiente. Ancora più impressionante è la sua capacità di “comprendere” i movimenti del proprio corpo e di posizionarsi nello spazio: un trucco chiamato propriocezione è stato doppiato il “sesto senso” della percezione umana e raramente implementato nei robot.

Con alcune sfide, gli autori hanno poi mostrato l'abilità dei robot. Un robot ha aggirato abilmente i blocchi stradali in tempo reale mentre un essere umano abbassava le barriere in sequenza in base al feedback degli ultrasuoni. In un altro test, il robot ha percorso lunghe distanze e ha affrontato abilmente curve strette. Con solo pochi millisecondi di ritardo, la rana robot ha saltato diverse superfici ruvide senza sudare, un compito motorio che in precedenza aveva sconcertato gli altri robot.

I millibot erano anche ottimi muli da soma. Anche con un peso del 500% del carico utile, come una fonte di alimentazione di bordo, un driver e un microcontrollore, erano in grado di muoversi facilmente con una diminuzione della velocità solo del 20%. In pratica, il superpotere rende questi robot grandi impalcature come macchine per la somministrazione di farmaci che un giorno potrebbero vagare nel nostro flusso sanguigno.

Una strada da percorrere

Un singolo pezzo di materiale piezoelettrico può essere estremamente flessibile, con sei gradi di libertà: la capacità di estendersi linearmente su tre assi (come piegare il braccio in avanti, lateralmente e indietro) e di ruotare in modo rotatorio. Grazie alla produzione additiva dello studio, è facile progettare diverse architetture robotiche guidate da algoritmi creativi.

Il team “ha intrecciato abilmente attuazione e percezione in una miniatura leggera

reticolo 3D composito che si muove e percepisce l’ambiente circostante”, ha affermato Rafsanjani.

I robot potrebbero sembrare un enigma incongruo: una creatura flessibile fatta di una dura spina dorsale simile alla ceramica con un metamateriale. Ma lo siamo anche noi umani: siamo fatti di cellule con forme, dimensioni e capacità molto diverse. L’adattamento delle idee utilizzate per progettare robot piezoelettrici offre alla robotica morbida una nuova prospettiva, portando potenzialmente a materiali completamente artificiali che convivono con i nostri corpi.

Lo studio “avvicina i metamateriali robotici ai sistemi biologici, una funzione alla volta”, ha affermato Rafsanjani.

Credito immagine: Rayne Research Group

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• Fonte: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-ir-surroundings/