Microbot auto-riparanti: dalla medicina agli usi militari

Un team di ingegneri della Penn State ha scoperto un metodo semplicissimo per creare e controllare sciami di microbot auto-riparanti. La scienza trae ispirazione dalla natura e la combina con semplici progetti di microbot in grado di generare e registrare segnali acustici. Questo approccio è simile a quello che le api e altri insetti utilizzano le onde sonore per organizzarsi in grandi gruppi. Ecco cosa c'è da sapere.

Cosa sono i microbot e come funzionano

Quando la persona media pensa ai robot, probabilmente immagina applicazioni industriali e militari. Tuttavia, un numero crescente di questi dispositivi ha trovato impiego nel medicale e nei settori dei soccorsi in caso di calamità. Questi dispositivi sono spesso molto più piccoli e sono noti come microrobot per via delle loro dimensioni ridotte, spesso su scala nanometrica. In particolare, molti scienziati immaginano un futuro in cui questi minuscoli robot lavoreranno insieme in sciami per svolgere compiti importanti.

Sfide nello sviluppo della tecnologia Swarm Microbot

Sono diversi i problemi che continuano a rallentare il progresso dei microbot. Uno dei principali fattori limitanti erano le dimensioni. Tuttavia, oggigiorno, ingegneri e sviluppatori hanno a disposizione diversi modi per creare queste macchine minuscole e spesso complesse.

Un altro problema è capire come controllare questi dispositivi microscopici. In passato, il metodo principale era utilizzare una qualche forma di comunicazione chimica. Questo è l'approccio che molti insetti e animali utilizzano in natura per orientarsi e organizzarsi, come le formiche. Tuttavia, questo approccio presenta dei limiti.

Ad esempio, la segnalazione chimica non è reversibile. Una volta rilasciata, la sostanza chimica è impossibile recuperarla completamente dall'ambiente. Pertanto, può essere utilizzata solo per raccogliere o indirizzare le unità. Inoltre, i segnali chimici sono limitati dalla distanza e viaggiano molto più lentamente rispetto ad altre forme di comunicazione.

Sistemi di materia attiva

La scienza che studia la mentalità e le strategie degli sciami è un campo scientifico chiamato materia attiva. Gli specialisti di materia attiva trascorrono anni a studiare sciami microscopici, biologici e sintetici. Il loro obiettivo è comprendere come questi enormi gruppi possano coordinarsi per compiti come la notifica delle minacce e la ricerca di risorse.

Comunicazione acustica negli sciami naturali

Gli ingegneri della materia attiva hanno notato che la segnalazione acustica è da tempo utilizzata dai pipistrelli e da altre specie per comunicare informazioni vitali. Le balene sono un altro animale che utilizza le onde sonore per comunicare a grandi distanze. È impressionante notare che animali come la megattera sono stati registrati comunicare usando l'acustica su distanze fino a 1,000 chilometri.

Studio della Penn State sui microbot autoriparanti a controllo acustico

La carta¹ "La segnalazione acustica consente la percezione e il controllo collettivi nei sistemi di materia attiva", pubblicato sulla rivista scientifica APS, è il primo studio scientifico a integrare l'acustica per controllare sciami micronici. In quanto tale, rappresenta una pietra miliare nella microrobotica.

Fonte - APS

Riconoscendo che la natura ha avuto migliaia di anni per evolversi e trovare i metodi più efficaci per svolgere compiti specifici, gli scienziati della Penn State hanno deciso di provare a creare un sistema di comunicazione sonora per controllare uno sciame di robot. I ricercatori iniziano il loro lavoro descrivendo come le api utilizzano le onde sonore per trovarsi e rimanere connesse.

Modello di simulazione al computer di microbot autoriparanti

Invece di costruire veri e propri microbot, il team ha creato un complesso modello computerizzato che riproduceva i comportamenti che questi dispositivi avrebbero assunto in determinate condizioni, sia nei modelli basati sulle particelle che in quelli basati sui campi.

Agenti Microbot Auto-Riparanti

Il modello computerizzato si basava su un microbot semplicistico, noto come agente. Questi minuscoli dispositivi digitali erano progettati per imitare le azioni di semplici circuiti elettronici. I circuiti includevano un oscillatore acustico e un microfono. I dispositivi integravano anche minuscoli motori che consentivano loro di rispondere al suono tramite il movimento.

Sistema di segnalazione acustica per il controllo dei microbot

Gli ingegneri hanno quindi creato un sistema di segnalazione acustica in grado di impartire semplici comandi ai robot. Nello specifico, le onde sonore avrebbero attivato tre azioni: assemblaggio, navigazione e comunicazione. Il team ha riscontrato vantaggi immediati, tra cui la propagazione molto più rapida delle onde sonore rispetto ai sistemi chimici utilizzati nei precedenti sistemi di controllo dei microbot.

Regole fondamentali per il comportamento dei microbot controllati acusticamente

Gli agenti sono stati programmati con solo due regole. La prima regola impone che i dispositivi si muovano verso i suoni più forti. La seconda regola modifica i suoni prodotti dal dispositivo. In particolare, il suono prodotto varia in base alle onde in ingresso che riceve, rendendo ogni dispositivo un'antenna ripetitiva per lo sciame.

Risultati dei test di simulazione per microbot autoriparanti

Per testare i loro agenti computazionali, gli ingegneri hanno costruito diversi task all'interno del loro ambiente di modello informatico. Il primo test è stato quello di verificare se i robot potessero muoversi in sciame e quale comportamento avessero durante il processo di formazione e spostamento verso posizioni o di completamento dei task.

Comportamento auto-organizzativo in sciami di microbot simulati

Gli ingegneri avevano bisogno di testare la capacità del microrobot di auto-organizzarsi in sciami. Ci sono riusciti facendo in modo che determinate onde sonore innescassero il comportamento dello sciame, dando origine a quella che gli ingegneri hanno descritto come un'intelligenza di gruppo primitiva.

In particolare, ogni dispositivo modificava la propria azione in base al suono registrato. Per creare uno sciame, gli ingegneri hanno semplicemente fatto muovere i robot verso la frequenza più forte e poi l'hanno duplicata. Questo passaggio ha avuto l'effetto desiderato: ogni robot ha adattato il proprio campo acustico, attirando gli altri verso di sé.

È interessante notare che gli ingegneri hanno registrato alcuni risultati unici dal loro lavoro. Innanzitutto, sono stati in grado di documentare le prime fasi della coesione e le fasi iniziali dell'intelligenza collettiva. Hanno notato che il comportamento simile all'intelligenza consente allo sciame di coordinare le manovre e lavorare insieme.

Con grande interesse, i microrobot sono stati in grado di riconfigurarsi in diverse forme a seconda delle onde sonore. Forme come quella a serpente hanno permesso alle macchine di auto-promuoversi mentre lo sciame si contorceva. Altre forme interessanti includevano un anello rotante. Gli ingegneri hanno notato che potevano sincronizzare gli stati degli oscillatori interni per aumentare la coesione, la multifunzionalità e la capacità di gestione delle attività degli sciami.

Gli ingegneri hanno notato che le forme potevano essere modificate programmando regole aggiuntive relative al rilevamento ambientale. Hanno documentato come i singoli robot collaborassero per superare gli ostacoli. Anche quando separati, lo sciame poteva trasformarsi in una nuova forma e poi autoripararsi tornando alla sua forma originale una volta superato l'ostacolo.

Principali vantaggi dei microbot autoriparanti a controllo acustico

Questo studio offre molteplici vantaggi al campo dei microbot. Innanzitutto, dimostra come un design robotico semplicistico possa completare compiti complessi con sciami utilizzando solo onde sonore come guida. Pertanto, questo studio rappresenta un passo avanti nel campo dei microbot, poiché le onde sonore sono più affidabili e facili da captare rispetto ad altri metodi di comunicazione.

Design semplice per microbot convenienti

Questo studio mostra anche come microrobot semplici ed economici possano essere realizzati con una complessità minima, ma in grado di svolgere compiti di tipo "sciame". Questi dispositivi, sebbene creati solo digitalmente, sarebbero molto economici da realizzare nella vita reale. La decisione dell'ingegnere di ridurre il dispositivo a un microfono, un altoparlante e un oscillatore dimostra come i microrobot non debbano essere eccessivamente complessi.

Bassi costi

L'altro vantaggio di un design semplicistico è la sua economicità di fabbricazione. I dispositivi teorici oggetto dello studio potrebbero essere realizzati con pochi centesimi e senza l'uso di macchinari ad alta tecnologia. In quanto tali, aprono la strada a operazioni industriali su larga scala e altro ancora.

Come i microbot si muovono negli spazi ristretti: vantaggi principali

Le caratteristiche di auto-riparazione e organizzazione dei microbot acustici consentiranno a questi dispositivi di arrivare dove altri robot non possono. Questi dispositivi possono trasformarsi in qualsiasi forma necessaria per passare attraverso o aggirare spazi ristretti. Lo sciame è in grado di ridursi fino a raggiungere uno spessore di quasi un singolo bit, passare attraverso una piccola fessura e poi riformarsi dall'altro lato.

Scorri per scorrere →

Microbot autoriparanti: applicazioni nel mondo reale

Le applicazioni di questa tecnologia sono molteplici. La microrobotica è un settore in rapida crescita che un giorno cambierà le scienze chiave in tutto il mondo. Dalle applicazioni dei sensori alla garanzia della sicurezza ambientale, sono molti i modi in cui questa tecnologia porterà benefici al mondo. Ecco alcune delle principali applicazioni dei microrobot acustici.

Applicazioni di ricerca e soccorso per sciami di microbot

Condurre operazioni di ricerca e soccorso è un compito pericoloso che può causare ulteriori lesioni. In molti casi, trovare e salvare la persona è più pericoloso del modo in cui si è trovata in quella situazione. Pertanto, è fondamentale utilizzare la tecnologia per localizzare queste persone in difficoltà il più rapidamente possibile.

Gli sciami di microbot sarebbero ideali per questi compiti. Innanzitutto, potrebbero essere configurati per registrare le condizioni ambientali dell'area, prevenendo ulteriori danni. Inoltre, i dispositivi possono raggiungere luoghi inaccessibili ad altri robot. Infine, potrebbero riformarsi per svolgere compiti che richiederebbero un dispositivo più grande.

Monitoraggio ambientale con tecnologia Microbot

I microbot contribuiranno a mantenere l'aria e il mare più puliti. Un giorno, questi dispositivi saranno in grado di monitorare dati ambientali cruciali. Questi sistemi potranno essere installati per registrare la contaminazione dell'aria intorno alle zone industriali, i rifiuti di plastica nei corsi d'acqua e molto altro.

Applicazioni sanitarie: trattamenti mirati con microbot

I microbot hanno fatto passi da gigante nel settore sanitario. Possono essere utilizzati per trattare patologie specifiche e aree del corpo notoriamente difficili da trattare. Ad esempio, i microbot possono somministrare farmaci direttamente al fegato, in punti specifici. Questo compito è tradizionalmente molto difficile a causa della tendenza del fegato a eliminare i farmaci prima che il trattamento possa fare effetto.

Usi militari e di difesa per gli sciami di microbot

Questa tecnologia ha diverse applicazioni militari. Piccoli sciami di robot potrebbero essere utilizzati per scenari di rilevamento delle minacce e per la sicurezza degli accampamenti. Possono anche svolgere compiti offensivi, come attaccare installazioni nemiche o interrompere i sistemi di comunicazione.

Cronologia di sviluppo della tecnologia dei microbot autoriparanti

Ci si aspetta che questa tecnologia sia operativa entro i prossimi 10 anni. C'è ancora molto lavoro da fare per capire come controllare questi dispositivi per compiti specifici. Inoltre, sarà necessaria l'approvazione per molte delle applicazioni, in particolare per quelle in ambito sanitario.

I ricercatori della Penn State dietro lo studio sui microbot auto-riparanti

La Penn State ha ospitato lo studio sullo sciame di microbot auto-riparanti. L'articolo cita Alexander Ziepke, Ivan Maryshev, Igor Aranson ed Erwin Frey come ricercatori principali. Inoltre, la John Templeton Foundation ha finanziato la ricerca sui microbot.

Direzioni future della ricerca sui microbot autoriparanti

Il futuro dei microbot autoriparanti è luminoso. Questi dispositivi diventeranno più intelligenti man mano che i ricercatori scopriranno metodi migliori per catturare e replicare i segnali acustici. Gli ingegneri lavoreranno ora per dotare i bot di maggiori capacità e resistenza alle interferenze.

Investire nella robotica

Sono diverse le aziende innovative che cercano di dominare il settore della robotica. Queste aziende hanno investito miliardi nella creazione di dispositivi in ​​grado di svolgere compiti troppo banali o impossibili per gli esseri umani. Ecco un'azienda che continua a fare scalpore grazie al suo approccio e ai suoi prodotti innovativi.

Microbot Medical Inc.

Microbot Medical Inc. (MBOT ) è entrata sul mercato nel 2010. È stata fondata in Israele prima di trasferirsi nel Massachusetts. Il suo fondatore, Harel Gadot, desiderava mettere a frutto la sua esperienza nel settore sanitario e combinarla con la robotica avanzata per contribuire a risolvere alcuni dei problemi di salute più urgenti.

Oggi, Microbot Medical Inc. è un fornitore leader di dispositivi microbot progettati per migliorare la salute dei pazienti. Questi prodotti consentono ai pazienti di sottoporsi a procedure minimamente invasive per il trattamento di alcune patologie neurovascolari e cardiovascolari.