Microbotics è il campo della robotica in miniatura, in particolare robot mobili con dimensioni caratteristiche inferiori a 1 mm. Il termine può essere utilizzato anche per robot in grado di gestire componenti di dimensioni micrometriche.

Storia
I microbot sono nati grazie all’apparizione del microcontrollore nell’ultimo decennio del XX secolo e alla comparsa di sistemi meccanici miniaturizzati su silicio (MEMS), sebbene molti microbot non utilizzino il silicio per componenti meccanici diversi dai sensori. La prima ricerca e progettazione concettuale di questi piccoli robot fu condotta nei primi anni ’70 in una (allora) ricerca classificata per le agenzie di intelligence degli Stati Uniti. Le applicazioni previste in quel momento comprendevano l’assistenza al salvataggio dei prigionieri di guerra e le missioni di intercettazione elettronica. Le tecnologie di supporto alla miniaturizzazione alla base non erano completamente sviluppate in quel momento, quindi i progressi nello sviluppo del prototipo non erano immediatamente imminenti da questa serie iniziale di calcoli e concept design. A partire dal 2008, i microrobot più piccoli utilizzano un Attuatore Scratch Drive.

Lo sviluppo di connessioni wireless, in particolare Wi-Fi (cioè nelle reti domotiche) ha notevolmente aumentato la capacità di comunicazione dei microbot e, di conseguenza, la loro capacità di coordinarsi con altri microbot per svolgere compiti più complessi. In effetti, molte ricerche recenti si sono concentrate sulla comunicazione microbot, tra cui uno sciame di robot 1.024 presso l’Università di Harvard che si assembla in varie forme; e produzione di microbot a SRI International per il programma “MicroFactory for Macro Products” di DARPA in grado di costruire strutture leggere e ad alta resistenza.

Considerazioni sul design
Mentre il prefisso ‘micro’ è stato usato soggettivamente per significare piccolo, la standardizzazione su scale di lunghezza evita la confusione. Quindi un nanorobot avrebbe dimensioni caratteristiche pari o inferiori a 1 micrometro, o manipolerebbe componenti nell’intervallo da 1 a 1000 nm. Un microrobot avrebbe dimensioni caratteristiche inferiori a 1 millimetro, un millirobot avrebbe dimensioni inferiori a un cm, un minirobot avrebbe dimensioni inferiori a 10 cm (4 pollici) e un piccolo robot avrebbe dimensioni inferiori a 100 cm (39 pollici) .

A causa delle loro dimensioni ridotte, i microbot sono potenzialmente molto economici e potrebbero essere utilizzati in grandi quantità (robotica degli sciami) per esplorare ambienti troppo piccoli o troppo pericolosi per le persone o per i robot più grandi. Si prevede che i microbot saranno utili in applicazioni come cercare sopravvissuti in edifici crollati dopo un terremoto o strisciare attraverso il tubo digerente. Quali microbot mancano in potenza muscolare o computazionale, possono compensare usando numeri grandi, come in sciami di microbot.

Il modo in cui i microrobot si muovono è una funzione del loro scopo e della loro dimensione necessaria. A dimensioni submicroniche, il mondo fisico richiede modi piuttosto bizzarri di muoversi. Il numero di Reynolds per i robot aviotrasportati è vicino all’unità; le forze viscose dominano le forze inerziali, quindi “volare” potrebbe usare la viscosità dell’aria, piuttosto che il principio di sollevamento di Bernoulli. I robot che si muovono attraverso i fluidi possono richiedere flagelli rotanti come la forma mobile di E. coli. Saltare è furtivo ed efficiente dal punto di vista energetico; consente al robot di negoziare le superfici di una varietà di terreni. I calcoli pioneristici (Solem 1994) hanno esaminato possibili comportamenti basati su realtà fisiche.

Una delle maggiori sfide nello sviluppo di un microrobot consiste nel realizzare movimenti utilizzando un alimentatore molto limitato. I microrobot possono utilizzare una piccola fonte di batteria leggera come una cella a moneta o possono liberare energia dall’ambiente circostante sotto forma di vibrazioni o energia luminosa. I microrobot ora usano anche motori biologici come fonti di energia, come Serratia marcescens flagellate, per attingere energia chimica dal fluido circostante per attivare il dispositivo robotico. Questi biorobot possono essere controllati direttamente da stimoli quali chemiotassi o galvanotassi con diversi schemi di controllo disponibili. Un’alternativa popolare a una batteria di bordo è quella di alimentare i robot utilizzando energia indotta dall’esterno. Gli esempi includono l’uso di campi elettromagnetici, ultrasuoni e luce per attivare e controllare i micro robot.

Dimensioni e definizione
Il prefisso “micro” è stato usato molto per designare soggettivamente piccoli robot, ma dimensioni molto variabili. Un progetto per standardizzare i nomi corrispondenti alle scale di dimensioni evita la confusione. Così:

un nanorobot ha dimensioni uguali o inferiori a 1 micrometro, o consente di manipolare componenti nell’intervallo da 1 a 1000 nm.
Un micro-robot avrebbe dimensioni caratteristiche inferiori a 1 millimetro,
un millirobot avrebbe dimensioni inferiori a un cm (è misurato in millimetri),
un minirobot avrebbe dimensioni inferiori a 10 cm,
un piccolo robot avrebbe dimensioni inferiori a 100 cm.

Condizioni specifiche per lo sviluppo di microrobotics
Lo sviluppo di microbot comporta una migliore comprensione e controllo di alcuni fenomeni fisici in gioco a queste scale, perché un micro-robot è soggetto a forze che sono di grande importanza a scale micrometriche e che non disturberebbero un oggetto di dimensioni maggiori;

Forza di Van der Waals,
elettricità statica,
tensione superficiale,
respiro d’aria,
più esacerbati e brutali effetti del calore solare o freddo, condensa, ecc.).

La microrobotica include lo studio dei processi di produzione (microsistemi o anche nanosistemi, inclusi micro o nanoelettronica) necessari per elementi di dimensioni molto ridotte.

La biomimetica è una disciplina che ispira la microrobotica,

Micromeccanica
Deve consentire al robot di muoversi e interagire con il suo ambiente, ad esempio:

Di elementi tattili che consentono al robot di aderire a un robot e possibilmente di afferrare oggetti, assemblare un altro microrobot o essere ancorati a un substrato;
di micromotori che consentono agli elementi mobili di muoversi lungo uno o più gradi di libertà;
vengono cercati microgiroscopi o dispositivi alternativi che svolgono funzioni simili;
modalità di viaggio innovative; Ad esempio, come fa gerris, i microbot possono già muoversi sull’acqua sfruttando la tensione superficiale di questo “substrato” liquido. Cerchiamo anche di imitare i polloni dei gechi, in modo da consentire a un robot di diversi grammi o decine di grammi di camminare sul soffitto o su qualsiasi supporto (Program Geckohair Nanolab della Carnegy Mellon University). Gli studenti lavorano su sistemi di adesione che si adattano a diversi gradi di pendenza, consentendo una camminata sospesa (sul soffitto, sotto un foglio …).

Biomimetic
Una fonte di ispirazione per la robotica è la Natura stessa che ha testato molti meccanismi e comportamenti, alcuni interessati alla robotica. L’imitazione del funzionamento delle reti neurali e dei centri nervosi e dei generatori centrali del midollo spinale di animali primitivi può già imitare alcuni meccanismi come camminare, nuotare, correre, gattonare. I gruppi muscolari sono sostituiti da servomotori, ma sono animati riproducendo i movimenti e il ritmo di camminare, nuotare, strisciare o correre secondo gli impulsi distribuiti ai microcircuiti del computer che imitano la rete nervosa.

L’imitazione a volte va anche oltre. per esempio:

Nanolab lavora per identificare e riprodurre alcune molecole colloidali altamente adesive sintetizzate dagli animali (lumache, lumache, alcuni Coleotteri possono aderire fortemente ma temporaneamente ad un supporto grazie a tali molecole). Sviluppa una strumentazione adattata alla misurazione delle prestazioni di questo tipo di adesivo.
il nanolab ha prodotto un piccolo robot a forma di serbatoio con bruchi adesivi che possono arrampicarsi sulle pareti attaccandosi ad esso;
Nanolab ha sviluppato anche micro-fibre adesive che consentono un’adesione molto rinforzata su un piano non orizzontale, ma una prestazione che è lontana dall’essere in grado di riprodursi è la capacità dei sistemi viventi di guarire, nutrirsi e riprodursi, capacità che pongono anche nuove questioni etiche che vanno oltre il solito campo della bioetica.
Un robot ispirato alla salamandra si evolve facilmente da un ambiente acquatico a uno terrestre; Un pollo può continuare a funzionare in modo riflessivo con la testa tagliata, mostrando che la colonna vertebrale e il midollo spinale contengono i centri motori essenziali.
I robot (salamandra o serpente) imitano il crawling 8. Su questo principio, Joseph Ayers (Northeastern University di Boston) ha anche sviluppato robot che imitano i movimenti della lampreda e dell’aragosta.

Rischi e limiti
Uno dei rischi della biomimetica è che i robot troppo simili agli animali sono confusi con i loro modelli e cacciati da veri predatori.

Microelectronics
Il microprocessore consente l’esecuzione di software per computer che danno autonomia al robot. I microprocessori a bassissima potenza sono necessari per i microbot perché devono rimanere leggeri e non possono portare con sé una significativa fonte di energia.

Biomeccanica
I ricercatori sono riusciti ad animare un robot, o più precisamente a reagire il robot a ostacoli o luce attraverso le culture dei neuroni di ratto.

Micro o nanosensori
Devono permettere al robot di situarsi (o localizzarlo) nel suo ambiente;
Queste sono, ad esempio, celle a reazione di luce, sensori di temperatura, sensori di pressione, sensori di onde, antenne radio e così via. anche una microcamera.

Possibili usi
Si spera che possano eseguire automaticamente compiti pericolosi, dolorosi, ripetitivi o impossibili per gli esseri umani (in spazi ristretti, nel vuoto) o per compiti più semplici ma che li eseguano meglio di quanto farebbe un essere umano.

I prospettivisti immaginano che possano essere usati come

robot industriali e tecnici (in grado, ad esempio, di costruire parti o meccanismi molto piccoli, di diagnosticare o riparare l’interno di una macchina senza smontarla, di ispezionare una tubatura dall’interno, ecc. Si immagina che possano lavorare nel vuoto o in assenza di aria, ecc.)
aspirapolvere robotico o domestico più piccolo e discreto di quelli attualmente esistenti
robot giocoso (insegnare robot da programmare … Per il momento, esistono solo sotto forma di giocattoli con l’immagine di robot, ma che non sono essi stessi) o di robot pedagogici di tipo BEAM (acronimo “Biologia Elettronica Estetica e Meccanica”) robot non molto intelligenti, senza microcontrollore o programmi integrati di alcun tipo; Una molla o un semplice elastico possono essere una fonte di energia meccanica per piccoli progetti sperimentali.
Robot medico o assistenza medica. un micro-robot potrebbe forse un giorno operare in un organismo vivente.
Micro-sonde spaziali o micro-robot da inviare nello spazio per salvare il volume occupato e il carico da portare via nell’esplorazione dello spazio

Autonomia
Per essere autonomo, il micro-robot deve avere:

Sensori sufficientemente efficienti (micro o nanosensori)
autonomia energetica che richiede micro-batterie efficienti, basso consumo energetico o capacità di trovare e sfruttare una fonte di energia esterna (solare, fascio a microonde, fonte di idrogeno che alimenta la cella a combustibile a idrogeno, capacità biomimetica di estrarre energia da materia organica ..). Un modo per risparmiare energia è garantire che le varie funzioni di un microrobot vengano attivate solo quando necessario e in modo ottimale. Il resto del tempo sono messi in standby, il che non impedisce loro di muoversi in modo passivo (trasportati dal vento, dalla corrente, da un veicolo ..)
un sistema di intelligenza incorporato (individuale o collettivo nel caso di robot con funzioni complementari che lavorano in concerto, alla maniera di formiche di una formica) e / o comunicazione che consente interazioni o controllo remoto.
Il programma educativo deve essere abbastanza sofisticato da rispondere al verificarsi di eventi semplici e cambiamenti nell’ambiente (stimoli) e rispondere ad essi (individualmente o collettivamente, come sarebbe fatto ad esempio da formiche in un formicaio) da reazioni appropriate ..

Microbot in letteratura e cinema
Vari autori di fantascienza e cinema usano nei loro romanzi, notizie o film micro o persino nanobot, ad esempio sotto forma di micro-droni.