I più piccoli robot autonomi e programmabili mai costruiti: ecco l’ultima innovazione sviluppata dai ricercatori della University of Pennsylvania e della University of Michigan: microscopiche macchine nuotatrici in grado di percepire l’ambiente, prendere decisioni e reagire in modo indipendente. Sono grandi poco più di un granello di sale, funzionano per mesi, costano circa un centesimo ciascuna e operano senza cavi, campi magnetici o controlli esterni.
Robot invisibili a occhio nudo, progettati per il mondo microscopico
Come racconta la Penn University, ogni microrobot misura circa 200 × 300 × 50 micrometri, dimensioni che lo rendono appena distinguibile a occhio nudo. A questa scala, paragonabile a quella di molti microrganismi biologici, la robotica incontra ostacoli fisici radicalmente diversi rispetto al mondo macroscopico. Forze come attrito e viscosità, dominate dalla superficie e non dal volume, rendono inefficaci le soluzioni meccaniche tradizionali.
Secondo Marc Miskin, professore associato di ingegneria elettrica e dei sistemi alla Penn Engineering e autore senior degli studi, “costruire robot che operano in modo indipendente a dimensioni inferiori a un millimetro è incredibilmente difficile. Il campo è rimasto bloccato su questo problema per circa quarant’anni”.
Le componenti meccaniche classiche, come arti o giunti, risultano fragili e difficili da realizzare a queste dimensioni. Per superare questo limite, il team ha progettato un sistema di locomozione completamente nuovo, pensato per collaborare con la fisica del microscopico, anziché contrastarla. Come sottolinea Miskin, “abbiamo creato robot autonomi 10.000 volte più piccoli. Questo apre una scala completamente nuova per i robot programmabili”.
Un sistema di propulsione che fa “nuotare” i robot
A differenza dei pesci o dei robot subacquei tradizionali, questi microrobot non muovono parti del corpo. La loro propulsione si basa sulla generazione di un campo elettrico che interagisce con gli ioni presenti nella soluzione circostante. Gli ioni spingono le molecole d’acqua vicine, mettendo in movimento il fluido attorno al robot.
“In pratica, è come se il robot fosse in un fiume in movimento, ma che allo stesso tempo contribuisce a far muovere il fiume stesso”, spiega Miskin. Regolando il campo elettrico, i robot possono muoversi secondo traiettorie complesse, coordinarsi in gruppo e raggiungere velocità pari a una lunghezza del corpo al secondo, arrivando a comportarsi come un piccolo banco di pesci.
L’assenza di parti mobili rende il sistema estremamente resistente. “Puoi trasferire questi robot ripetutamente da un campione all’altro senza danneggiarli, usando solo una micropipetta”, aggiunge Miskin. Alimentati dalla luce di un LED, sono in grado di nuotare e operare per mesi consecutivi, un traguardo finora inedito a questa scala.
Un computer a bordo per pensare, sentire e reagire
La vera svolta è però l’integrazione di un computer completo a bordo: processore, memoria, sensori e pannelli solari sono tutti concentrati su un chip di frazioni di millimetro. Qui entra in gioco il lavoro del team guidato da David Blaauw alla University of Michigan, noto per aver sviluppato il computer più piccolo al mondo.
“La sfida principale era che i pannelli solari producono appena 75 nanowatt, oltre 100.000 volte meno di uno smartwatch”, racconta Blaauw. Per funzionare in queste condizioni, i ricercatori hanno progettato circuiti capaci di operare a tensioni estremamente basse, riducendo i consumi di oltre mille volte rispetto a soluzioni convenzionali.
Anche lo spazio era un vincolo critico. I pannelli occupano gran parte della superficie disponibile, lasciando pochissimo margine per processore e memoria. “Abbiamo dovuto ripensare completamente le istruzioni dei programmi, condensando sequenze complesse in un singolo comando speciale”, spiega Blaauw.
Grazie a queste soluzioni, i microrobot possono percepire la temperatura con una precisione di circa un terzo di grado Celsius e reagire di conseguenza. “I robot possono muoversi verso aree più calde o comunicare la temperatura misurata attraverso una piccola danza, osservabile al microscopio e decodificabile con una videocamera”, aggiunge Blaauw, ricordando il modo in cui le api comunicano tra loro.
La programmazione avviene tramite impulsi di luce, che alimentano e istruiscono i robot allo stesso tempo. Ogni unità possiede un indirizzo univoco, permettendo di caricare programmi diversi su robot diversi e coordinare compiti collettivi. “Questo apre una serie di possibilità, con ogni robot che può svolgere un ruolo differente all’interno di un compito più grande”, conclude Blaauw.
I ricercatori sottolineano che questa tecnologia rappresenta solo l’inizio: il design attuale consente di aggiungere nuovi sensori, velocizzare i robot e sviluppare programmi più complessi, gettando le basi per una nuova era della robotica su scala microscopica.
