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Robot di dimensioni millimetriche controllati con campi magnetici

Attuatori magnetici su piccola scala con sei gradi di libertà ottimali


 Gli scienziati della Nanyang Technological University di Singapore (NTU Singapore) hanno sviluppato robot di dimensioni millimetriche controllati da campi magnetici. Questi robot sono in grado di eseguire manipolazioni altamente manovrabili e abili e potrebbero avere un grande impatto in campi come la biomedicina e la produzione. 

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista scientifica Advanced Materials a maggio. 

Basandosi su robot esistenti su piccola scala
I robot in miniatura sono stati creati incorporando microparticelle magnetiche in polimeri biocompatibili, che sono materiali non tossici per l’uomo. I robot sono programmati in modo tale che, quando vengono applicati campi magnetici, svolgano le funzionalità desiderate. 

La nuova tecnologia basata su precedenti robot su piccola scala e le nuove aggiunte includono una capacità ottimizzata di muoversi in sei gradi di libertà (DoF), che è movimento di traslazione lungo i tre assi spaziali e movimento di rotazione attorno a quegli assi, o rollio , beccheggio e angoli di imbardata. 

I ricercatori hanno già sviluppato in precedenza sei robot in miniatura DoF, ma le nuove versioni possono ruotare 43 volte più velocemente nel sesto DoF critico, purché il loro orientamento sia controllato con precisione.


 
Robot delle dimensioni di un grano realizzati dagli scienziati della NTU Singapore
 
 
 

Grazie all’uso di materiali “morbidi” nella loro costruzione, i robot possono replicare le qualità meccaniche. Ad esempio, uno può nuotare mentre un altro può afferrare, raccogliere e posizionare con precisione oggetti in miniatura. 

L’assistente professore Lum Guo Zhan della School of Medicine and Aerospace Engineering è l’autore principale dello studio.

Secondo il professor Lum, il principale progresso dipende in larga misura dalla scoperta del terzo e ultimo vettore principale “elusivo” dei campi magnetici. Prima di questa scoperta, i campi magnetici applicati erano definiti solo in termini di due vettori principali. 

“Il mio team ha cercato di scoprire i principi di funzionamento fondamentali dei robot in miniatura che hanno movimenti di sei gradi di libertà attraverso questo lavoro. Comprendendo appieno la fisica di questi robot in miniatura, siamo ora in grado di controllare con precisione i loro movimenti. Inoltre, il nostro metodo di fabbricazione proposto può magnetizzare questi robot per produrre da 51 a 297 volte più coppie di sei gradi di libertà rispetto ad altri dispositivi esistenti. I nostri risultati sono quindi fondamentali e rappresentano un progresso significativo per le tecnologie robotiche su piccola scala”, ha affermato Asst. Prof Lum.

I robot in miniatura misurano circa le dimensioni di un chicco di riso, quindi sono utili quando si cerca di raggiungere spazi ristretti e chiusi che limitano i robot di grandi dimensioni. Ciò significa che il nuovo sviluppo è particolarmente utile in medicina.

I robot possono essere controllati a distanza da un operatore e da un programma in esecuzione su un computer di controllo. Il programma altera la forza e la direzione dei campi magnetici generati da un sistema di bobine elettromagnetiche. 

In medicina, i robot in miniatura potrebbero raggiungere determinati organi vitali come il cervello, ma saranno necessari molti più test e modifiche prima che possano essere applicati in questo modo.

I coautori della ricerca includono i dottorandi Xu Changyu e Yang Zilin della School of Mechanical and Aerospace Engineering. 

“Oltre alla chirurgia, i nostri robot possono anche essere utili in applicazioni biomediche come l’assemblaggio di dispositivi lab-on-chip che possono essere utilizzati per la diagnostica clinica integrando diversi processi di laboratorio su un singolo chip”, hanno affermato. 

Testare i Robot
Il team di ricerca ha testato i robot in esperimenti di laboratorio e ha dimostrato la loro destrezza e velocità. 

Con un robot ispirato alle meduse, il team lo ha controllato per nuotare attraverso una barriera di apertura stretta quando sospeso nell’acqua. Questo esperimento ha dimostrato come i robot possono superare le barriere in ambienti dinamici e incerti, il che significa che in futuro potrebbero essere utilizzati per applicazioni biomediche mirate come le procedure chirurgiche. 

Il robot in miniatura ha anche superato la rotazione più veloce di qualsiasi robot in miniatura esistente. 

Il team di ricerca ora cercherà di rendere i robot ancora più piccoli, portandoli a poche centinaia di micrometri. Vogliono anche che alla fine siano completamente autonomi.

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