Robot grandi quanto un granello di sale: stanno per rivoluzionare medicina e industria

Un team della University of Pennsylvania e della University of Michigan ha realizzato quelli che definisce i robot completamente programmabili e autonomi più piccoli mai creati: minuscole macchine in grado di nuotare, percepire l'ambiente circostante e reagire in modo indipendente. Ogni robot misura circa 200 per 300 per 50 micrometri, dimensioni inferiori a quelle di un granello di sale e paragonabili a molti microrganismi biologici. La piattaforma è pensata per essere prodotta a costi estremamente bassi: un singolo robot può arrivare a costare circa un centesimo di dollaro, aprendo la strada a intere flotte di dispositivi microscopici. Secondo i ricercatori, la riduzione di scala è significativa: rispetto ai robot autonomi esistenti, questi sistemi risultano circa 10.000 volte più piccoli.

Architettura: computer, sensori e attuazione a scala micrometrica

Il risultato nasce dall'integrazione tra le competenze della University of Pennsylvania nella realizzazione di strutture attive a scala micrometrica e il lavoro dell'Università del Michigan su microcomputer a bassissimo consumo. Al centro del robot c'è un microcomputer grande circa 100 micrometri, dotato di capacità di elaborazione e memoria programmabile, sufficiente a immagazzinare comandi e logiche di controllo elementari. Intorno all'elettronica vengono integrate le componenti per la locomozione e i sensori, realizzando un sistema completo in grado di "sentire", elaborare e agire in autonomia.

Per garantire il funzionamento con una potenza disponibile nell'ordine delle decine di nanowatt, il gruppo dell'Università del Michigan ha progettato circuiti in grado di operare a tensioni estremamente basse, riducendo i consumi del computer di oltre mille volte rispetto a soluzioni convenzionali. Il particolarissimo chip integra piccole celle solari che generano circa 75 nanowatt, un valore oltre 100.000 volte inferiore al consumo tipico di uno smartwatch, ma sufficiente ad alimentare l'elettronica ottimizzata e la logica di controllo del robot.

L'attuazione del movimento si basa su un meccanismo elettrocinetico in cui campi elettrici applicati generano forze sul fluido circostante, consentendo al robot di nuotare senza parti meccaniche in movimento. Questa scelta architetturale punta a massimizzare la robustezza: gli elettrodi che generano il campo non subiscono usura e i dispositivi possono essere trasferiti ripetutamente tra campioni diversi usando micro-pipette senza danni significativi.

Programmazione tramite luce e capacità sensoriali

Come dicevamo i microrobot sono alimentati dalla luce, che viene sfruttata anche come sistema di controllo: gli stessi impulsi luminosi che forniscono energia vengono usati per inviare programmi alla memoria di bordo.

Ogni unità dispone di un indirizzo univoco, che permette di caricare sequenze di comandi diverse su robot differenti, rendendo possibile la creazione di sciami in cui ogni elemento svolge un ruolo specifico all'interno di un compito comune. Una volta programmati, i dispositivi possono eseguire movimenti complessi, tracciare percorsi definiti e modificare la propria traiettoria in risposta alle condizioni dell'ambiente circostante. Tra le funzionalità dimostrate rientra la capacità di misurare la temperatura locale e di reagire di conseguenza, ad esempio cambiando direzione lungo un gradiente termico.

L'integrazione tra sensori e logica di controllo consente ai robot di operare per periodi di tempo prolungati, fino a diversi mesi, finché è disponibile una sorgente luminosa sufficiente come un semplice LED. Grazie al controllo fine del campo elettrico che genera la propulsione, i robot possono muoversi fino a circa una lunghezza del proprio corpo al secondo e organizzarsi in gruppi coordinati, in modo analogo a un banco di pesci.

Applicazioni possibili in medicina e manifattura

Operando su scala paragonabile a quella di molte strutture cellulari, questi microrobot sono pensati come strumenti potenziali per monitorare la salute di singole cellule, intervenire su tessuti o supportare la somministrazione mirata di terapie. La possibilità di programmare comportamenti autonomi, come il tracciamento di gradienti di temperatura o di altri parametri ambientali, rende plausibile l'impiego in scenari in cui sia necessario seguire percorsi complessi in ambienti biologici o fluidici. In ambito industriale e di manifattura, i ricercatori indicano come prospettiva l'uso di flotte di robot per costruire dispositivi microscopici o per eseguire operazioni di assemblaggio a scala non raggiungibile dai sistemi robotici tradizionali.

Il lavoro si inserisce in un filone di ricerca che da anni prova a combinare tecnologie di microelettronica e sistemi di locomozione su scala micrometrica per avvicinare la robotica alle dimensioni dei sistemi biologici. Secondo il team, l'aver superato la barriera del millimetro con robot realmente autonomi e programmabili può rappresentare una piattaforma di riferimento per ulteriori sviluppi, inclusa l'integrazione di nuovi sensori e capacità di comunicazione tra robot. I dettagli tecnici del progetto sono descritti in una serie di articoli pubblicati sulle riviste Science Robotics e Proceedings of the National Academy of Sciences, che illustrano l'architettura elettronica, il sistema di propulsione e le dimostrazioni di comportamento autonomo dei microrobot.