I microbot potrebbero avere diverse applicazioni utili, in particolare in ambito biomedico e sanitario. Ad esempio, per le loro piccole dimensioni, queste piccole macchine potrebbero essere inserite all'interno del corpo umano, consentendo ai medici di effettuare esami a distanza o operare in regioni colpite da malattie.
Sviluppare approcci che consentano la locomozione efficace di microrobot in contesti medici, però, è un compito impegnativo a causa dei modelli nel flusso di fluidi all'interno del corpo umano. Per vincere questa sfida, studi passati hanno proposto l'utilizzo di macchine a forma di ruota in grado di rotolare su superfici, poiché la loro struttura consente una maggiore propulsione e velocità di traslazione più elevate.
Nonostante la loro promessa, i risultati della ricerca suggeriscono che questi robot non si muovono bene su superfici piane e spesso scivolano. In un nuovo interessante studio presentato in Robotica scientifica , un team di ricercatori della Colorado School of Mines e dell'Università del Colorado Denver ha proposto un nuovo approccio che potrebbe aiutare a migliorare la locomozione dei microrobot su superfici bagnate.
"A causa delle limitazioni fondamentali nella fluidodinamica su piccola scala, è difficile che le piccole macchine nuotino, un limite che abbiamo cercato di superare sviluppando metodi basati su ruote e guida su superfici disponibili, " Professor David Marr, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Questi metodi sono relativamente efficaci, [ma] perché le superfici all'interno del corpo sono bagnate, le nostre ruote tendono a slittare e a viaggiare a circa il 10% del loro massimo teorico. L'idea di questo lavoro era quella di sviluppare un approccio che prevenga lo slittamento con ruote che si adattano come ingranaggi sulla superficie di viaggio, in effetti rimuovendo lo slittamento e portando a una traduzione significativamente più veloce."
Il prof. Marr e i suoi colleghi hanno tratto ispirazione dalla matematica che sta dietro a strade e ruote, applicando questi calcoli a piccoli robot a forma di ruota. Hanno scoperto che modifiche specifiche alla topografia (cioè caratteristiche fisiche) della "microstrada" in cui opera il robot consentono alle microruote di raggiungere velocità molto più elevate.
I ricercatori hanno osservato che urti periodici sulla microstrada percorsa dai robot possono migliorare la trazione tra le minuscole ruote e le pareti vicine. Mentre su superfici piane bagnate, le ruote tendono a slittare. Perciò, le strade più sconnesse determinano uno schema di locomozione composto da rotazioni con ribaltamenti antiscivolo e antiscivolo. Ciò aumenta notevolmente la velocità di traslazione delle ruote, con i robot che si muovono fino a quattro volte più velocemente di quanto farebbero su superfici piane.
"Ruote di forma e dimensioni specifiche si adattano perfettamente a strade di una forma particolare progettata, "Spiegava il Prof. Marr. "Mentre una ruota tonda e una strada pianeggiante si incontrano, le ruote non rotonde si adattano alle superfici con asperità specifiche della strada. Un obiettivo finale è sviluppare ruote che si adattino meglio alle superfici in vivo, portando a terapie più rapide nelle malattie in cui il trattamento deve essere somministrato rapidamente, Per esempio."
Mettere ruote quadrate su un'auto potrebbe sembrare un modo controintuitivo e inefficiente per migliorarne la locomozione. Però, come spiega il prof. Marr, pavimentare adeguatamente le superfici su cui operano i microbot è spesso difficoltoso, quindi, in questi casi, un design della ruota non circolare può effettivamente essere utile.
"Il nostro lavoro ha rivelato l'importante interazione idrodinamica tra microruote e superficie non liscia, mentre la maggior parte del lavoro in letteratura si è concentrata principalmente sulla propulsione di micro-robot su superfici piane, "Professore Ning Wu, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a TechXplore. "Un'applicazione dei nostri risultati sarà la separazione di oggetti microscopici basata sulla simmetria piuttosto che sulle dimensioni".
I risultati raccolti da Marr, Wu e i loro colleghi potrebbero avere diverse implicazioni pratiche. Ad esempio, i ricercatori hanno osservato che le microruote quadrate ea forma di diamante rotolano a velocità simili su una superficie piana ma a velocità molto diverse su una strada accidentata.
Questa semplice osservazione potrebbe informare la progettazione strategica delle superfici su cui opereranno i microbot, migliorando infine la loro locomozione in base alla forma delle loro ruote. Raggiungere una rotazione più rapida di queste piccole macchine su superfici irregolari potrebbe anche semplificare la loro manipolazione mentre viaggiano in regioni specifiche del corpo umano, come le reti vascolari parzialmente ostruite.
Il recente articolo di Marr, Wu e i loro colleghi offrono nuove informazioni che potrebbero guidare lo sviluppo di microbot più efficienti per scopi biomedici. Nel loro lavoro futuro, i ricercatori hanno in programma di esplorare due ulteriori direzioni di ricerca che potrebbero fornire ulteriori preziose osservazioni.
"Primo, utilizzeremo i substrati modellati topograficamente per separare le particelle micro e nanoscopiche sia sulla simmetria che sulla dimensione, poiché abbiamo dimostrato che possono rotolare con velocità diverse, "Il prof. Wu ha detto. "Le particelle separate possono quindi essere utilizzate come elementi costitutivi per realizzare strutture fotoniche con interessanti interazioni luce-materia. Un'altra direzione sarà la realizzazione di microruote di materiali morbidi come le goccioline che possono incapsulare farmaci. Il nostro obiettivo finale è manovrare queste ruote morbide all'interno di reti vascolari complesse e usarle per somministrare farmaci".
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