Capitolo 1 : Microbotics

La microrobotica, a volte nota come microbotics, è un sottocampo della robotica in miniatura che si concentra su robot mobili con dimensioni inferiori a un millimetro. È anche possibile utilizzare questa frase per riferirsi a robot in grado di gestire componenti di dimensioni micrometriche.

I microbot sono nati a seguito dell'introduzione del microcontrollore nell'ultimo decennio del 20° secolo, nonché dell'introduzione di sistemi microelettromeccanici (MEMS) su silicio. Tuttavia, la maggior parte dei microbot non utilizza il silicio per componenti meccanici diversi dai sensori. Era l'inizio degli anni '70 quando furono effettuate le prime ricerche e la progettazione concettuale di tali robot in miniatura. All'epoca, questa ricerca era classificata ed è stata svolta per le agenzie di intelligence degli Stati Uniti. A quel tempo, alcune delle applicazioni che erano state immaginate includevano compiti come operazioni di intercettazione elettronica e supporto per i prigionieri di guerra. Le tecnologie sottostanti che supportavano il ridimensionamento non erano ancora completamente sviluppate a quel tempo, il che significava che i progressi nello sviluppo dei prototipi non si sono verificati immediatamente come risultato di questa prima serie di calcoli e progettazione concettuale. Secondo l'anno 2008, l'attuatore di trascinamento a graffio viene utilizzato dai microrobot più piccoli.

La crescita delle connessioni wireless, in particolare del Wi-Fi (cioè nelle reti domestiche), ha migliorato significativamente la capacità di comunicazione dei microbot e, di conseguenza, il loro potenziale di coordinarsi con altri microbot al fine di svolgere attività più sofisticate. La comunicazione tra i microbot è stata oggetto di una notevole quantità di ricerche negli ultimi tempi. Un esempio di ciò è la creazione di uno sciame di 1.024 robot presso l'Università di Harvard, che può assemblarsi in una varietà di forme. Un altro esempio è la produzione di microbot presso SRI International per il programma "MicroFactory for Macro Products", in grado di costruire strutture leggere e ad alta resistenza.

È stato anche possibile costruire microbot noti come xenobot utilizzando tessuti organici piuttosto che componenti metallici ed elettronici. Grazie al fatto che sono autoalimentati, biodegradabili e biocompatibili, gli xenobot sono in grado di aggirare alcuni dei problemi tecnologici e ambientali associati ai tipici microbot.

È possibile utilizzare il prefisso "micro" per significare "piccolo" in modo soggettivo; Tuttavia, la standardizzazione sulle scale di lunghezza aiuta a evitare confusione. Un nanorobot avrebbe quindi dimensioni caratteristiche pari o inferiori a un micrometro, oppure manipolerebbe componenti che rientrano nell'intervallo da uno a mille nanometri. È richiesta una citazione. Ad esempio, un microrobot avrebbe dimensioni inferiori a un millimetro, un millirobot avrebbe dimensioni inferiori a un centimetro, un mini-robot avrebbe dimensioni inferiori a dieci centimetri (quattro pollici) e un piccolo robot avrebbe dimensioni inferiori a cento centimetri (39 pollici).

Più di una fonte si riferisce a robot più grandi di un millimetro come microbot e robot più grandi di un micrometro sono indicati come nanobot. Inoltre, vedi la categoria: micro robot.

Il movimento dei microrobot è determinato dallo scopo dei robot e dalle dimensioni richieste per loro. Quando si tratta di dimensioni inferiori al micron, il mondo fisico richiede l'uso di metodi di trasporto abbastanza peculiari. Quando si tratta di robot aerei, il numero di Reynolds è inferiore a uno. Poiché le forze viscose sono più potenti delle forze inerziali, è possibile che il "volo" possa essere realizzato utilizzando la viscosità dell'aria piuttosto che il concetto di portanza di Bernoulli. È possibile che i robot che si muovono attraverso i fluidi richiedano flagelli rotanti, simili alla forma mobile di E. coli. Il robot è in grado di navigare sulle superfici di un'ampia varietà di terreni grazie alla capacità di saltare, che è sia furtiva che efficiente con la gestione dell'energia. I calcoli pionieristici (Solem 1994) hanno indagato i molti comportamenti che potrebbero verificarsi in base alla realtà fisica.

Quando si tratta dello sviluppo di un microrobot, uno degli ostacoli più significativi è quello di produrre mobilità utilizzando un'alimentazione molto limitata. I microrobot hanno la capacità di utilizzare una fonte di batteria piccola e leggera come una cella a bottone, oppure possono recuperare energia dall'ambiente che li circonda sotto forma di vibrazione o energia luminosa. Inoltre, i motori biologici, come la Serratia marcescens flagellata, vengono utilizzati come fonti di energia per i microrobot. Questi motori sono in grado di estrarre energia chimica dal fluido che circonda il dispositivo robotico per spingerlo in avanti. I biorobot in questione sono in grado di essere controllati direttamente da stimoli come la chemiotassi o la galvanotassi e sono disponibili diversi sistemi di controllo per il loro funzionamento. L'utilizzo di energia indotta esternamente come mezzo per alimentare i robot è un'alternativa comune all'utilizzo di una batteria di bordo. Esempi di metodi che possono essere utilizzati per attivare e far funzionare i micro robot includono l'utilizzo di campi elettromagnetici, ultrasuoni e luce.

"Progettazione di microrobot guidati dalla luce con applicazioni in microbiologia e biomedicina" è stato l'argomento principale della ricerca che è stata condotta nel 2022 con la metodologia foto-biocatalitica.

Vari tipi di locomozione sono utilizzati dai microrobot per viaggiare attraverso un'ampia varietà di ambienti, che vanno dalle superfici solide ai fluidi fluidi. I sistemi biologici che fungono da ispirazione per queste tecnologie sono spesso utilizzati e sono progettati per essere efficaci su microscala. Nel processo di progettazione e funzionamento della locomozione dei microrobot, è necessario massimizzare una serie di parametri, tra cui precisione, velocità e stabilità, riducendo al minimo contemporaneamente altri, come il consumo di energia e la perdita di energia. Questo viene fatto per garantire che il movimento del microrobot sia corretto, efficace ed efficiente.

Molti fattori importanti, come la lunghezza del passo e i costi di trasporto, vengono utilizzati nel processo di caratterizzazione della locomozione dei microrobot. Questi parametri vengono utilizzati per caratterizzare e valutare il movimento dei microrobot. Una falcata è un ciclo completo di movimento che comprende tutti i passaggi o le fasi necessarie a un organismo o a un robot per andare avanti ripetendo una particolare sequenza di azioni. Una falcata viene utilizzata nel contesto del movimento. La distanza percorsa da un microrobot in un singolo ciclo completo del suo meccanismo di locomozione è indicata come lunghezza del passo, che viene misurata in secondi. Il termine "costo del trasporto" (CoT) si riferisce alla quantità di lavoro necessaria per spostare un microrobot che ha un'unità di massa su un'unità di distanza.

Le capacità di locomozione di superficie consentono ai microrobot di muoversi in vari modi, tra cui camminare, strisciare, rotolare e saltare, tra gli altri movimenti possibili. I microrobot in questione sono in grado di superare una varietà di ostacoli, tra cui la gravità e l'attrito. Il numero Frounde è uno dei parametri comunemente usati per descrivere la locomozione di superficie. È definito come segue:

F r è uguale a

v.

2.

g) *

?;

s.

In termini di stile di visualizzazione, Fr è uguale al fattore di v al quadrato. L'espressione {g*\lambda _{s}}}}

v rappresenta la velocità del movimento, g rappresenta il campo gravitazionale e As rappresenta la lunghezza di un passo. Un microrobot che mostra un basso numero di Froude si muove più lentamente e con maggiore stabilità poiché le forze di gravità sono la forza dominante. D'altra parte, un microrobot che mostra un alto numero di Froude mostra che le forze inerziali sono più significative, il che consente un movimento più veloce e possibilmente meno stabile.

Quando si tratta di locomozione di superficie, gattonare è una delle attività più comuni. Esistono diverse tecniche che i microrobot usano per gattonare, ma la maggior parte di esse prevede il movimento coordinato di molte gambe o appendici. Un certo numero di creature, tra cui insetti, rettili e piccoli mammiferi, fungono da fonte di ispirazione per il meccanismo che guida i movimenti dei microrobot. D'altra parte, RoBeetle è un esempio di microrobot strisciante. Il microrobot completamente autonomo ha un peso di 88 milligrammi, che equivale circa al peso di tre chicchi di riso. Il metanolo viene bruciato in un processo catalitico, che fornisce al robot la sua energia. I micromuscoli artificiali catalitici basati su NiTi-Pt, regolabili e costituiti da un meccanismo di controllo meccanico, sono alla base di questo progetto.

Quando si tratta di azionare il movimento della superficie dei microrobot, sono disponibili alcune altre alternative. Questi includono atti magnetici, elettromagnetici, piezoelettrici, elettrostatici e ottici.

I microrobot in grado di nuotare sono pensati per funzionare in tre dimensioni mentre attraversano ambienti fluidi come l'acqua o i fluidi biologici. Piccoli animali acquatici o microbi sono utilizzati come fonte di ispirazione per lo sviluppo di meccanismi di locomozione. Queste tattiche includono la propulsione flagellare, lo strattone, la propulsione chimica, la propulsione a getto e l'ondulazione della coda. I microrobot che nuotano devono...