Microbot Autoguarenti: Dalla Medicina all’Uso Militare

Un team di ingegneri della Penn State ha scoperto un metodo semplice per creare e controllare sciami di microbot autoguarenti. La scienza si ispira alla natura e la combina con progetti di microbot semplici in grado di generare e registrare segnali acustici. Questo approccio è simile a come api e altri insetti utilizzano le onde sonore per organizzarsi in grandi gruppi. Ecco cosa c’è da sapere.

Che 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 è stato impiegato nei settori medico e di soccorso in caso di catastrofi. Questi dispositivi sono spesso molto più piccoli e sono noti come microrobot perché la loro statura è minuscola, spesso a livello nanometrico. È notevole che molti scienziati immaginano un futuro in cui questi piccoli robot lavorano insieme in sciami per svolgere compiti importanti.

Problemi nello sviluppo della tecnologia dei microbot a sciame

Ci sono diversi problemi che continuano a rallentare l’avanzamento dei microbot. Uno dei principali fattori limitanti era la dimensione. Tuttavia, al giorno d’oggi, esistono diversi modi per ingegneri e sviluppatori di creare queste macchine minuscole e spesso complesse.

Un altro problema è capire come controllare questi dispositivi microscopici. In passato, il metodo principale era utilizzare qualche forma di comunicazione chimica. Questo è l’approccio che molti insetti e animali utilizzano in natura per trovare e organizzarsi, come le formiche. Tuttavia, ci sono limitazioni a questo approccio.

Ad esempio, la segnalazione chimica non è reversibile. Una volta rilasciata la sostanza chimica, è impossibile recuperarla interamente dall’ambiente. Perciò può essere usata solo quando si raccolgono o si mirano 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 chiamato materia attiva. Gli specialisti di materia attiva trascorrono anni a studiare sciami biologici e sintetici microscopici. Il loro obiettivo è comprendere come questi enormi gruppi possano coordinarsi per compiti come la notifica di minacce e la ricerca di risorse.

Comunicazione acustica negli sciami naturali

Gli ingegneri della materia attiva hanno notato che la segnalazione acustica è stata a lungo usata da pipistrelli e altre specie per comunicare informazioni vitali. Le balene sono un altro animale che utilizza le onde sonore per comunicare su grandi distanze. In modo impressionante, animali come la balena megattera sono stati registrati mentre comunicavano usando l’acustica su distanze fino a 1.000 miglia.

Studio della Penn State sui microbot autoguarenti controllati acusticamente

Il documento¹ “Acoustic Signaling Enables Collective Perception and Control in Active Matter Systems,” pubblicato sulla rivista scientifica APS, è il primo studio scientifico a integrare l’acustica per controllare sciami micronici. Come tale, rappresenta una pietra miliare importante nella microrobotica.

Fonte – APS

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

Modello di simulazione al computer dei microbot autoguarenti

Piuttosto che costruire microbot reali, il team ha creato un complesso modello al computer che duplicava i comportamenti che questi dispositivi avrebbero mostrato in determinate condizioni, sia in modelli basati su particelle sia in modelli basati su campi.

Agenti microbot autoguarenti

Il modello al computer si basava su un microbot semplificato noto come agente. Questi piccoli dispositivi digitali erano progettati per imitare le azioni di circuiti elettronici semplici. I circuiti includevano un oscillatore acustico e un microfono. I dispositivi integrano anche piccoli motori che consentono loro di rispondere al suono tramite movimento.

Sistema di segnalazione acustica per il controllo dei microbot

Gli ingegneri hanno poi creato un sistema di segnalazione acustica che poteva dare ai robot comandi semplici. In particolare, le onde sonore avrebbero attivato tre azioni: assemblare, navigare e comunicare. Il team ha notato vantaggi immediati, incluso il fatto che le onde sonore si propagano molto più velocemente dei sistemi chimici utilizzati nei precedenti sistemi di controllo dei microbot.

Regole fondamentali per il comportamento dei microbot controllati acusticamente

Precisamente, gli agenti sono stati programmati con sole due regole. La prima regola stabilisce che i dispositivi devono muoversi verso i suoni più forti. La seconda regola modifica i suoni che il dispositivo crea. È notevole che il suono che crea varia in base alle onde di ingresso che riceve, rendendo ogni dispositivo un’antenna ripetitiva per lo sciame.

Risultati dei test di simulazione per i microbot autoguarenti

Per testare i loro agenti computazionali, gli ingegneri hanno costruito diversi compiti all’interno dell’ambiente del loro modello al computer. Il primo test era verificare se i robot potessero formare uno sciame e quale comportamento avessero mostrato durante il processo di aggregazione e spostamento verso posizioni o completamento di compiti.

Comportamento auto-organizzante negli sciami di microbot simulati

Gli ingegneri dovevano testare la capacità del microrobot di auto-organizzarsi in sciami. Hanno realizzato questo compito facendo sì che certe onde sonore innescassero il comportamento di sciame, risultando in quello che gli ingegneri hanno descritto come intelligenza di gruppo primitiva.

È notevole che ogni dispositivo cambiava la sua azione in base al suono che registrava. Per farlo sciame, gli ingegneri hanno semplicemente fatto muovere i bot verso la frequenza più forte e poi l’hanno duplicata. Questo passo ha avuto l’effetto desiderato di far regolare a ciascun bot il proprio campo acustico, attirando gli altri verso di esso.

Curiosamente, gli ingegneri hanno registrato alcune scoperte uniche dal loro lavoro. Per esempio, sono riusciti a documentare le prime fasi di coesione e le fasi iniziali di intelligenza collettiva. Hanno osservato che questo comportamento simile all’intelligenza permette allo sciame di coordinare manovre e lavorare insieme.

Precisamente, i microrobot sono stati in grado di riconfigurarsi in più forme diverse a seconda delle onde sonore. Forme come un serpente hanno permesso alle macchine di auto-propulsarsi 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 le capacità di gestione dei compiti dello sciame.

Gli ingegneri hanno osservato che le forme potevano essere modificate programmando regole aggiuntive riguardanti il rilevamento ambientale. Hanno documentato come i bot individuali lavorassero insieme per superare ostacoli. Anche quando separati, lo sciame poteva trasformarsi in una nuova forma e poi auto-guarirsi nella forma originale una volta superato l’ostacolo.

Benefici chiave dei microbot autoguarenti controllati acusticamente

Ci sono molteplici vantaggi che questo studio porta al campo dei microbot. In primo luogo, dimostra come un design robotico semplificato possa completare compiti di sciame complessi usando solo onde sonore come guida. Come tale, questo studio spinge i microbot in avanti poiché le onde sonore sono più affidabili e più facili da catturare rispetto ad altri metodi di comunicazione.

Design semplice per microbot a basso costo

Questo studio mostra anche come microbot semplici e accessibili possano essere realizzati con minima complessità, ma comunque eseguire compiti di sciame. Questi dispositivi, sebbene creati solo digitalmente, sarebbero molto economici da fabbricare nella realtà. La decisione degli ingegneri di ridurre il dispositivo a solo un microfono, un altoparlante e un oscillatore dimostra come i microbot non debbano essere eccessivamente complessi.

Bassi costi

L’altro vantaggio di avere un design semplificato è che è economico da fabbricare. I dispositivi teorici nello studio potrebbero essere creati per pochi centesimi e senza l’uso di macchinari ad alta tecnologia. Come tale, aprono la porta a operazioni industriali massive e altro ancora.

Come i microbot navigano spazi ristretti: vantaggi chiave

Le caratteristiche di auto-guarigione e organizzazione dei microbot acustici consentiranno a questi dispositivi di andare dove altri robot non possono. Questi dispositivi possono trasformarsi in qualsiasi forma necessaria per infilarsi o aggirare spazi ristretti. Lo sciame è capace di ridursi a quasi uno spessore di un singolo bit, passare attraverso una piccola fessura e poi riformarsi dall’altra parte.

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Microbot autoguarenti: Applicazioni nel mondo reale

Ci sono molte applicazioni per questa tecnologia. La microrobotica è un settore in rapida crescita che un giorno cambierà le scienze chiave in tutto il mondo. Dalle applicazioni sensoriali al garantire che l’ambiente rimanga sicuro, ci sono molti modi in cui questa tecnologia beneficerà il pianeta. Ecco alcune delle principali applicazioni per i microrobot acustici.

Applicazioni di ricerca e soccorso per gli sciami di microbot

Condurre operazioni di ricerca e soccorso è un compito pericoloso che può provocare ulteriori infortuni. In molti casi, trovare e salvare la persona è più pericoloso di come sia finita nella situazione iniziale. Perciò è fondamentale utilizzare la tecnologia per localizzare queste persone bisognose il più rapidamente possibile.

Gli sciami di microbot sarebbero ideali per questi compiti. Per prima cosa, potrebbero essere impostati per registrare le condizioni ambientali dell’area, prevenendo ulteriori infortuni. Inoltre, i dispositivi possono entrare in luoghi in cui altri robot non potrebbero mai entrare. Inoltre, potrebbero riformarsi per svolgere compiti che richiederebbero un dispositivo più grande.

Monitoraggio ambientale con la tecnologia dei microbot

I microbot aiuteranno a mantenere l’aria e il mare più puliti. Questi dispositivi saranno un giorno impostati per monitorare dati ambientali cruciali. Questi sistemi possono essere installati per registrare l’inquinamento dell’aria intorno a zone industriali, i rifiuti plastici nelle vie d’acqua e molto altro.

Applicazioni sanitarie: trattamenti mirati con microbot

I microbot hanno compiuto progressi significativi nell’industria sanitaria. Possono essere usati per mirare a specifiche patologie e a localizzazioni notoriamente difficili da trattare nel corpo. Per esempio, i microbot possono somministrare farmaci al tuo fegato in punti mirati. Questo compito è tradizionalmente molto difficile a causa della tendenza del fegato a eliminare i farmaci prima che il trattamento possa avere effetto.

Usi militari e di difesa per gli sciami di microbot

Ci sono diverse applicazioni militari per questa tecnologia. Sciami di robot minuscoli potrebbero essere usati per scenari di rilevamento di minacce e per la sicurezza dei campi. Possono anche avere compiti offensivi come attaccare installazioni nemiche o disturbare i sistemi di comunicazione.

Cronologia di sviluppo per la tecnologia dei microbot autoguarenti

Ci si può aspettare di vedere questa tecnologia in uso entro i prossimi 10 anni. È ancora necessario svolgere più lavoro su come controllare questi dispositivi per compiti specifici. Inoltre, sarà necessario ottenere approvazioni per molte delle applicazioni, specialmente per quelle legate alla sanità.

Ricercatori della Penn State dietro lo studio sui microbot autoguarenti

La Penn State ha ospitato lo studio sullo sciame di microbot autoguarenti. Il documento elenca Alexander Ziepke, Ivan Maryshev, Igor Aranson e Erwin Frey come i principali ricercatori. Inoltre, la John Templeton Foundation ha finanziato la ricerca sui microbot.

Direzioni future della ricerca per i microbot autoguarenti

Il futuro dei microbot autoguarenti è luminoso. Questi dispositivi diventeranno più intelligenti man mano che i ricercatori scopriranno metodi migliori per catturare e replicare i segnali acustici. Gli ingegneri ora lavoreranno per fornire ai bot più capacità e resilienza contro le interferenze.

Investire nella robotica

Ci sono diverse aziende innovative che cercano di controllare il settore della robotica. Queste imprese hanno investito miliardi nella creazione di dispositivi che possono svolgere compiti troppo banali o impossibili per gli esseri umani. Ecco un’azienda che continua a fare onde grazie al suo approccio innovativo e ai suoi prodotti.

Microbot Medical Inc.

Microbot Medical Inc. (MBOT ) è entrata sul mercato nel 2010. È stata fondata in Israele prima di trasferirsi in Massachusetts. Il suo fondatore, Harel Gadot, voleva utilizzare la sua esperienza sanitaria e combinarla con la robotica avanzata per aiutare a risolvere alcune delle questioni sanitarie più urgenti.

Oggi, Microbot Medical Inc. è un fornitore leader di dispositivi microbot progettati per migliorare i risultati dei pazienti. Questi prodotti rendono possibile per i pazienti sottoporsi a procedure minimamente invasive per trattare alcune patologie neurovascolari e cardiovascolari.