Come le nanotecnologie potranno essere al servizio dell’uomo

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Foto da Pixabay

Se volete costruire un robot nanometrico completamente funzionante, dovete dotarlo di una serie di supertecnologie, da complicati circuiti elettronici e fotovoltaici a sensori e antenne.
Ma, cosa altrettanto importante, se volete che il vostro robot si muova, è necessario che sia in grado di muovere o piegare alcune sue parti.

I ricercatori della Cornell University, nello stato di New York, hanno creato dei micro-attuatori a memoria di forma che consentono a materiali bidimensionali, atomicamente sottili, di piegarsi in modo tale da poter assumere delle forme 3D.
Tutto ciò di cui questi attuatori hanno bisogno è una rapida scarica elettrica. E una volta piegato, il materiale mantiene la sua forma, anche dopo che la tensione di piega è stata rimossa.
E proprio come dimostrazione, il team ha creato l’uccellino origami più piccolo al mondo.
Il documento del gruppo, “Micrometer-sized electrically programmable shape memory actuators for low-power microrobotics“, è stato pubblicato su Science Robotics, che lo ha presentato in prima pagina.
L’autore principale del documento è il ricercatore post-dottorato Qingkun Liu.
Il progetto è guidato da Itai Cohen, professore di fisica, e Paul McEuen, professore di scienze fisiche John A. Newman.
“Noi siamo esseri umani, e la nostra caratteristica distintiva è che abbiamo imparato a costruire sistemi e macchine complessi su scala umana e anche su grande scala”, ha affermato McEuen. “Ma quello che non abbiamo imparato a fare è costruire macchine su piccole scale. E questo è un passo verso quella fondamentale evoluzione di ciò che gli esseri umani possono fare: imparare a costruire macchine piccole come cellule“.

La collaborazione in corso tra McEuen e Cohen ha finora generato un numero incredibile di macchine robotiche e componenti su nanoscala, ognuno apparentemente più veloce, più intelligente ed elegante del precedente.
“Vogliamo creare robot microscopici ma con cervello a bordo. Ciò significa che è necessario disporre di appendici guidate da transistor CMOS (metal-oxide-semiconductor) complementari, fondamentalmente un chip di computer su un robot di 100 micron su un lato “, ha detto Cohen.

Per capire la sua “visione” ci basta immaginare un milione di robot microscopici fabbricati che escono da un wafer e che si piegano in una forma specifica, che strisciano liberamente e che svolgono automaticamente i loro compiti, anche assemblandosi in strutture più complicate. Questa è la visione.
“La parte difficile è realizzare materiali che rispondano ai circuiti CMOS”, ha detto Cohen. “E questo è ciò che Qingkun e i suoi colleghi hanno fatto con questo attuatore a memoria di forma, controllabile con specifiche tensioni, facendogli mantenere una forma con una specifica piega.”
Questi attuatori possono piegarsi con un raggio di curvatura inferiore a un micron: la curvatura più alta di qualsiasi attuatore a tensione di quest’ordine di grandezza. Questa flessibilità è importante perché uno dei principi fondamentali della produzione di micro-robot è che la dimensione del robot è determinata da quanto piccole possono essere piegate le varie appendici. Più le curve sono strette, più piccole sono le pieghe e più piccolo è l’ingombro per ciascuna macchina. È anche importante che queste piegature possano essere mantenute dal robot, il che riduce al minimo il consumo di energia: una caratteristica particolarmente vantaggiosa per robot e macchine microscopiche.
Cohen e McEuen esaltano gli studi di Liu in chimica e lo ringraziano per aver dato al progetto una “scossa” in più: per aver studiato le reazioni elettrochimiche che consentano ai materiali di piegarsi e mantenere le loro forme.
“Su questa piccola scala, le cose non funzionano come nell’ingegneria meccanica tradizionale, ma bisogna unire la chimica, la scienza dei materiali e l’ingegneria meccanica e mescolarle tutte insieme”, ha detto Liu.
I dispositivi sono costituiti da un nanometrico strato di platino, ricoperto da una pellicola di titanio o biossido di titanio. Diversi pannelli rigidi di vetro al biossido di silicio ricoprano questi strati. Quando una tensione positiva viene applicata agli attuatori, gli atomi di ossigeno vengono spinti nel platino e scambiano la loro posizione con gli atomi di platino. Questo processo, chiamato ossidazione, fa sì che il platino si espanda su un lato nelle giunture tra i pannelli di vetro inerte, che piega la struttura nella sua forma predesignata.
Le macchine possono mantenere quella forma anche dopo che la tensione è stata rimossa perché gli atomi di ossigeno incorporati si raggruppano per formare una barriera, che impedisce loro di diffondersi.
Applicando una tensione negativa al dispositivo, i ricercatori possono spostare nuovamente gli atomi di ossigeno e ripristinare rapidamente il platino al suo stato originario.
“Una cosa davvero notevole è che questi piccoli strati minuscoli sono spessi solo circa 30 atomi, rispetto a un foglio di carta, che potrebbe avere uno spessore di 100.000 atomi. Quindi è un’enorme sfida ingegneristica capire come fare in modo che qualcosa del genere abbia il tipo di funzionalità che vogliamo”, ha affermato McEuen, che co-presiede la Task Force Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), che dirige il Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science.
Le macchine si piegano velocemente, entro 100 millisecondi. Possono anche appiattirsi e ripiegarsi migliaia di volte. E hanno solo bisogno di un singolo volt per essere alimentate.
Il team è già stato riconosciuto dal Guinness World Records per aver creato il più piccolo robot in movimento. Ora sperano di ottenere un altro record con un nuovo uccello origami auto-piegante largo solo 60 micron.
I ricercatori stanno attualmente lavorando per integrare i propri attuatori a memoria di forma con degli specifici circuiti, cercando di realizzare robot che camminano grazie a gambe pieghevoli e robot simili a fogli che si muovono ondulando avanti e indietro (un po’ come dei microserpenti).
Queste innovazioni potranno, un giorno, portarci ad utilizzare dei robot “nano-Roomba”, in grado di pulire una possibile infezione batterica su tessuti umani.
“Potremmo addirittura arrivare a costruire delle micro-fabbriche in grado di generare una produzione di strumenti chirurgici robotici che sono dieci volte più piccoli dei dispositivi attuali.” Dice Cohen.
Tutto il supporto tecnico e tecnologico è stato fornito dal laboratorio di ricerca per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell’esercito degli Stati Uniti, dalla National Science Foundation, dal Cornell Center for Materials Research, dall’Air Force Office of Scientific Research e dal Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science. Parte del lavoro è stata eseguita presso la Cornell NanoScale Science and Technology Facility.

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