I ricercatori dell'Università della California (UC) Berkeley hanno recentemente progettato due microbot a scala di insetti, uno che salta e un altro che sbatte le sue ali artificiali. Questi progetti di robot, presentato in due paper pre-pubblicati su arXiv, imitare i comportamenti biologici reali osservati negli insetti. I due microbot, indicato come bot moscerino della frutta e µbot saltellante, sono stati sviluppati da Ph.D. studente Palak Bhushan come parte della sua tesi sotto la supervisione del suo professore, Claire Tomlin.

Nel futuro, minuscoli robot potrebbero avere numerose applicazioni importanti, assistere gli esseri umani in compiti come il telerilevamento, alla ricerca di sopravvissuti a disastri naturali, e l'esplorazione dello spazio. Infatti, i microbot hanno diverse caratteristiche favorevoli, comprese le loro piccole dimensioni, manovrabilità da insetto e navigazione più semplice in terreni difficili.

"La robustezza ai terreni difficili generalmente aumenta quanto meno un bot interagisce con l'ambiente, "Bhushan e Tomlin hanno detto TechXplore . "Volanti e maglioni (ad es. mosche, cavallette, ecc.) minimizzare questa interazione volando/saltando sopra gli ostacoli e verso la loro prossima destinazione, in contrasto con le formiche che devono camminare su ogni piccola protuberanza. I volantini sono più rilevanti per la Terra e altri pianeti con un'atmosfera densa, considerando che i ponticelli sono più rilevanti per i luoghi con atmosfera da trascurabile a nulla e gravità inferiore".

Il primo robot sviluppato dai ricercatori, che chiamano bot moscerino della frutta, è il primo veicolo ad ala inferiore al milligrammo mai sviluppato che imita efficacemente la cinematica delle ali degli insetti. La maggior parte dei piccoli microbot ad ala battente fino ad oggi hanno una scala di massa di 100 mg. In natura, però, piccoli insetti volanti (ad es. moscerini della frutta) hanno una scala di massa di 1 mg, e alcuni possono essere anche più piccoli.

"La motivazione alla base dello sviluppo di questo particolare microbot è stata quella di colmare il divario di dimensioni tra ciò che è stato realizzato e ciò che è possibile, " hanno spiegato i ricercatori. "Il nostro obiettivo principale era quello di dimostrare il movimento delle ali battenti su questa scala di dimensioni utilizzando motori e meccanismi di bordo, ma con alimentazione elettrica esterna."

I piccoli insetti volanti in genere generano portanza eseguendo grandi colpi d'ala. Una delle sfide chiave per Bhushan e Tomlin durante lo sviluppo di questo robot è stata quella di creare piccoli attuatori in grado di generare rotazioni abbastanza grandi da azionare le ali artificiali.

"I lavori precedenti utilizzano motori a piccola rotazione e quindi amplificano questo movimento a grandi rotazioni utilizzando un meccanismo di amplificazione, " Bhushan e Tomlin spiegano. "Le dimensioni delle caratteristiche in questi meccanismi di amplificazione scendono a 70um, anche per bot da 100 mg. Il semplice ridimensionamento del design di 100 volte porterebbe a un movimento del motore ancora più piccolo che a sua volta richiederebbe dimensioni delle caratteristiche ancora inferiori nel meccanismo di amplificazione, il che non è fattibile".

Per affrontare i problemi associati al ridimensionamento del design del microbot, i ricercatori hanno creato un motore a grande rotazione che non richiede alcun meccanismo di amplificazione per funzionare. Hanno raggiunto questo obiettivo sviluppando una molla di torsione in cui le piccole rotazioni dei singoli cantilever si sommano per produrre una grande rotazione quando guidate alla risonanza.

Con il disegno dei ricercatori, le dimensioni delle caratteristiche del robot volante possono scendere a soli 100um, anche alla scala di 1 mg. Sorprendentemente, il loro robot per moscerini della frutta può essere fabbricato in un tempo relativamente breve. Inoltre, le sue basse tensioni operative (cioè 70 mV) dovrebbero renderlo facile da testare e implementare in futuro.

Il secondo microbot sviluppato dai ricercatori è un robot saltatore che misura 17 mm x 6 mm x 14 mm e pesa 75 milligrammi. La versione legata di questo robot può saltare 6 volte al minuto, atterrando perfettamente sui suoi piedi. Per saltare di 8 mm di altezza, il bot consuma circa 6,4 mW di potenza.

Proprio come il bot del moscerino della frutta, questo minuscolo robot è il più piccolo del suo genere con le sue capacità, almeno per quanto riguarda i ricercatori. Infatti, il più piccolo robot saltatore riportato in studi precedenti trasporta una fonte di energia a bordo che pesa circa 300 mg e può saltare solo una volta prima che la sua fonte di energia chimica si esaurisca.

"Volevamo sviluppare qualcosa nella scala di massa inferiore a 100 mg che potesse eseguire salti ripetibili, " hanno detto i ricercatori. "Si noti che qui, dal momento che siamo su una scala molto più ampia rispetto al bot moscerino della frutta, possiamo essere più ambiziosi e quindi avere una fonte di energia a bordo, anche."

I piccoli insetti saltellanti generalmente spingono il terreno rapidamente con le zampe mentre eseguono un salto. Questa richiesta di potenza istantanea è troppo alta per essere riprodotta utilizzando un motore di bordo. Per vincere questa sfida, studi precedenti hanno utilizzato i motori per immagazzinare energia in un meccanismo di bordo e quindi rilasciare rapidamente questa energia, che consente al robot di eseguire salti. Nel loro studio, i ricercatori hanno anche deciso di utilizzare questo approccio.

"I motori sono pesanti, difficile da fabbricare su piccola scala, e richiedono segnali di controllo speciali per azionarli, " Bhushan e Tomlin hanno detto. "Al fine di semplificare la fabbricazione e il controllo, abbiamo fatto in modo che il nostro design fosse in grado di funzionare utilizzando un unico motore facendo eseguire passivamente le altre funzioni richieste, inoltre progettiamo il nostro motore in modo che funzioni con semplici segnali di controllo ON/OFF."

Nel bot saltatore sviluppato da Bhushan e Tomlin, un singolo motore genera un moto di rotazione continuo accumulando piccole rotazioni. Questo movimento viene quindi utilizzato per avvolgere una corda progettata per tirare una molla in un meccanismo di accumulo di energia. Dopo che l'energia raggiunge una soglia specifica, il meccanismo rilascia rapidamente l'energia immagazzinata dal robot, che alla fine gli permette di saltare.

"Il semplice requisito di controllo del nostro motore ci consente di alimentarlo utilizzando celle fotovoltaiche da 1 mg che producono corrente quando un laser a infrarossi viene puntato su di esse, ma questa fonte di alimentazione è solo un segnaposto per future micro-batterie quando saranno disponibili, " hanno aggiunto i ricercatori.

La maggior parte dei robot da 100 mg esistenti utilizza attuatori piezoelettrici ed elettrostatici che richiedono alte tensioni di 200-5000 V per funzionare. Ciò significa che spesso lottano con i circuiti di amplificazione di tensione pesanti e inefficienti che vengono utilizzati per pilotarli. Secondo i ricercatori, questo è il motivo principale per cui finora sono stati creati con successo pochissimi microbot completamente senza tether.

"Abbiamo progettato con successo nuovi attuatori elettromagnetici, che sono un sistema magnete più bobina, proprio come nelle tue cuffie, che necessitano di basse tensioni per funzionare:solo 0,07 V per il moscerino della frutta, e 0.8V per il robot saltatore, "Bhushan e Tomlin dissero. "Così, quando avremo buone micro-batterie in futuro (non lo abbiamo adesso), i nostri robot saranno molto più leggeri e consumeranno molta meno energia per funzionare."

Per operare efficacemente, tutti i bot in scala 1 mg, così come diversi bot su scala da 100 mg, richiedono uno speciale ambiente "controllato", caratterizzato ad esempio da un campo magnetico esterno variabile, una piastra calda o una piastra vibrante. Gli attuatori utilizzati da questo bot mosca della frutta e bot che salta, d'altra parte, sono a bordo, quindi questi minuscoli robot si comportano bene anche in ambienti normali.

Impressionante, i ricercatori sono stati in grado di creare il più piccolo dispositivo di apertura alare mai segnalato, che ha la stessa massa di un moscerino della frutta. Hanno anche progettato con successo il robot saltatore più leggero con una fonte di alimentazione integrata mai sviluppato finora.

Attualmente, le batterie non sono ancora in grado di supportare robot volanti da 100 mg, quindi potrebbe volerci del tempo prima che i ricercatori possano alimentare con successo il loro robot volante da 1 mg. Inoltre, il motore del bot ha un'efficienza energetica dello 0,7 percento, mentre i muscoli di un moscerino della frutta hanno un'efficienza del 17%.

Nel loro lavoro futuro, i ricercatori intendono concentrarsi sullo sviluppo di motori più efficienti, per perfezionare ulteriormente il loro design e prepararsi per quando le batterie abbastanza piccole da supportare il loro bot verranno finalmente rilasciate. Vorrebbero anche creare sensori e controller a bassa potenza inferiori a 0,1 mg, in quanto ciò consentirebbe loro di rendere autonomo il loro bot moscerino della frutta.

"Per quanto riguarda il robot saltatore, abbiamo in programma di aggiungere un componente orizzontale alla velocità di lancio che può quindi aiutare il bot nella navigazione, " Bhushan e Tomlin hanno spiegato. "Dati i bassi requisiti di potenza di questo bot e le dimensioni maggiori rispetto al bot del moscerino della frutta, dovremmo anche essere in grado di aggiungere le batterie esistenti per farlo eseguire salti completamente autosufficienti".

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