L'ultima tendenza popolare e promettente della robotica è la miniaturizzazione. Gli ultimi progressi di bot e droni non si basano sulla tecnologia digitale, ma sul peso: quanto più piccole sono le dimensioni dei sensori, l'importanza delle telecamere e altre apparecchiature intelligenti, tanto meglio è.
Microbots
La microbotica è il campo della robotica in miniatura, in particolare dei robot mobili con dimensioni caratteristiche inferiori a 1 mm. La terminologia può essere utilizzata anche per i robot in grado di lavorare componenti di dimensioni micrometriche.
Storia della nascita dei micro-robot
I microbot sono nati dall'avvento del microcontrollore nell'ultimo decennio del XX secolo e dall'inizio dei sistemi meccanici in miniatura. Le prime ricerche e lo sviluppo concettuale di questi piccoli robot avvennero all'inizio degli anni '70 nello studio (allora) privato per le agenzie di intelligence statunitensi. All'epoca, gli obiettivi principali della ricerca erano la necessità di organizzare missioni di salvataggio di prigionieri e di intercettazione elettronica. All'epoca, le tecnologie di supporto alla miniaturizzazione non erano ancora completamente sviluppate, quindi non sono stati compiuti progressi significativi nello sviluppo dei prototipi. I progressi della connettività wireless, in particolare del Wi-Fi, hanno aumentato in modo significativo la capacità di comunicazione dei microbot e quindi la loro capacità di coordinarsi con altri microbot per eseguire compiti più complessi. In effetti, molti studi recenti si sono concentrati sulle comunicazioni tra microbot, tra cui un robot dell'Università di Harvard che si assembla in varie forme e la produzione di microbot presso SRI International per il programma DARPA's MicroFactory for Macro Products, che può creare strutture leggere e ad alta resistenza.
Caratteristiche del design
I micro-robot hanno dimensioni inferiori a 1 mm. Si differenziano in questo senso dai millirobot, di dimensioni inferiori a 10 cm, dai piccoli robot di dimensioni inferiori a 100 cm e dai nanorobot, di dimensioni pari o inferiori a 1 micrometro o comprese tra 1 e 1000 nm. Grazie alle loro dimensioni ridotte, i micro-robot sono potenzialmente molto economici e possono essere utilizzati in grandi quantità (swarm robot) per esplorare ambienti troppo piccoli o pericolosi per gli esseri umani o per robot più giganti. I micro-robot sono particolarmente utili nella ricerca di sopravvissuti in edifici crollati dopo un terremoto o nella scansione del tratto digestivo. Mancano di potenza fisica e/o computazionale, ma questo può essere compensato utilizzando gruppi o sciami di micro-robot. Il modo in cui i micro-robot si muovono dipende dal loro scopo e dalle dimensioni necessarie. Ad esempio, i robot che operano in ambienti acquosi o liquidi hanno spesso flagelli rotanti mobili. Uno dei problemi principali nel muovere un micro-robot è ottenere questa capacità utilizzando una fonte di energia minima. I micro-robot possono utilizzare una batteria piccola e leggera o essere alimentati dall'energia dell'ambiente sotto forma di vibrazioni. I micro-robot utilizzano anche motori biologici come fonti di energia, come i flagelli, per ottenere energia chimica dal fluido circostante e alimentare il dispositivo robotico. Un'alternativa comune alla batteria di bordo è quella di alimentare i robot utilizzando energia esterna. Alcuni esempi sono i campi elettromagnetici, gli ultrasuoni e la luce per attivare e controllare i micro-robot. Per essere autonomo, un micro-robot deve avere:
- Sensori sufficientemente efficienti (micro o nanosensori),
- l'autonomia energetica richiede micro-batterie efficienti a basso consumo o la capacità di trovare e utilizzare una fonte di energia esterna (solare, microonde, fonte di idrogeno, capacità biomimetica di estrarre energia dalla materia organica, ecc.). Un modo per risparmiare energia è garantire che le varie funzioni del micro-robot vengano attivate solo quando necessario e in modo ottimale. Il resto del tempo, vengono messi in standby, il che non impedisce loro di muoversi passivamente (portati dal vento, dalla corrente, dal veicolo, ecc.),
- un sistema intelligente integrato (individuale o collettivo nel caso di robot con funzioni aggiuntive che lavorano insieme) e/o comunicazione che consente l'interazione o il controllo remoto,
- il curriculum deve essere sufficientemente complesso da rispondere alla comparsa di eventi semplici e cambiamenti nell'ambiente (stimoli) e rispondere ad essi (individualmente o collettivamente) con reazioni appropriate.
Applicazioni
Le prospettive eccellenti con i micro-robot implicano compiti pericolosi, dolorosi, ripetitivi o impossibili per gli esseri umani (in piccoli spazi, nel vuoto) o funzioni più accessibili. Tuttavia, i robot possono eseguirli meglio degli umani. Possono essere utilizzati anche come robot industriali e tecnici (capaci, ad esempio, di realizzare minuterie o meccanismi, diagnosticare o riparare l'interno di una macchina senza smontarla, ispezionare le tubazioni dall'interno, ecc.). Sono in grado di lavorare sottovuoto o in un ambiente privo di aria, ecc. Oggigiorno i micro-robot sono già stati sviluppati e applicati in ambito domestico (robot di servizio), ad esempio robot per aspirapolvere e giochi o robot di addestramento per programmazione.
Applicazioni dei micro-robot in ambito sanitario
L'anno 2018 ha visto progressi significativi nell'uso dei micro-robot nell'assistenza sanitaria. I ricercatori della City University di Hong Kong hanno pubblicato uno studio sulla rivista Science Robotics affermando che i micro-robot possono essere utilizzati per diagnosticare malattie, somministrare farmaci e persino in chirurgia, il tutto a livello cellulare. I ricercatori hanno già condotto con successo prove, come la consegna di cellule nel posto giusto in un topo vivo. La potenziale applicazione pratica di queste tecnologie è la somministrazione di sostanze benefiche a una specifica sede del corpo umano, che potrebbe diventare un nuovo tipo di medicina personalizzata non invasiva. Da anni gli scienziati sviluppano robot ancora più piccoli per una medicina di precisione. L'attuale miniaturizzazione li ha drammaticamente aiutati a creare micro-robot medici, l'unità di misura che non è più un millimetro ma un micron. Questi piccoli robot possono diagnosticare e monitorare malattie in tempo reale, misurare i livelli di zucchero nel sangue per i diabetici o fornire i farmaci necessari con precisione a un bersaglio, come un tumore. Gli sviluppatori hanno anche creato micro-robot galleggianti in grado di navigare attraverso i fluidi del corpo umano. Questi robot imitano i processi naturali del corpo; si muovono in avanti usando onde metacronali, simili agli infusori nel corpo umano. Gli scienziati stanno cercando di trovare applicazioni per queste tecnologie, dal trattamento delle malattie cardiovascolari alla chirurgia oculare. In futuro, i micro-robot potrebbero pulire le arterie dalla placca e rompere i calcoli renali. Un robot medico o un ausilio medico sotto forma di micro-robot potrebbe un giorno essere in grado di funzionare in un organismo vivente.
Applicazione di micro-robot in condizioni estreme
In primo luogo, le condizioni estreme nella robotica sono pericolose per le persone o per i dispositivi tecnici: un elevato fondo di radiazioni, un ambiente chimicamente aggressivo, forti campi elettromagnetici, alta pressione e temperatura. Quando i robot eseguono vari compiti in occasione di disastri naturali o provocati dall'uomo o di conflitti militari, l'ambiente non deterministico assume un significato particolare, in cui, oltre alle condizioni esterne estreme, vi è un elevato grado di incertezza non solo dei parametri dell'ambiente stesso, ma anche delle operazioni da eseguire. La resistenza dei robot a condizioni ambientali aggressive è garantita principalmente da soluzioni ingegneristiche e tecniche. Allo stesso tempo, la capacità dei robot di rispondere in modo adeguato e tempestivo a cambiamenti imprevisti dei parametri ecologici dipende principalmente dalla strategia di controllo scelta e dal livello di intelligenza del robot. Tali robot devono essere dotati di una potente macchina di calcolo a bordo, di un'ampia disponibilità di risorse energetiche a bordo e, spesso, di una serie significativa di organi di lavoro. Questo "accumulo" porta a un aumento delle dimensioni e del peso del robot che, a sua volta, limita significativamente il possibile campo di applicazione. Allo stesso tempo, tra i vari compiti risolti dalla robotica estrema, ve ne sono alcuni per i quali un robot di piccole dimensioni è auspicabile e talvolta necessario. Tra questi, la sorveglianza di territori e aree acquatiche in condizioni di resistenza nemica organizzata, la ricerca di vittime tra le macerie dopo disastri naturali o provocati dall'uomo, la ricerca e la neutralizzazione di ordigni esplosivi in operazioni antiterrorismo in densi insediamenti urbani, l'esplorazione della superficie di altri pianeti, ecc. La soluzione di questi compiti richiede micro-robot con dimensioni e massa ridotte, che consentano di muoversi liberamente in passaggi stretti, senza essere notati dai radar nemici. Tali robot sono caratterizzati da costi inferiori per il trasporto del complesso robotico sul luogo di lavoro. Tuttavia, le piccole dimensioni dei micro-robot impongono alcune limitazioni:
- È difficile muoversi in uno spazio impreparato perché sporgenze e depressioni relativamente piccole possono ostacolare il movimento del micro-robot,
- Il compito di spostare corpi di grandi dimensioni (ad esempio terremotati o campioni di roccia) con l'aiuto di un micro-robot è difficile. Le piccole dimensioni di un micro-robot impongono anche diverse limitazioni indirette:
- La piccola riserva di energia di bordo del micro-robot,
- le dimensioni ridotte e il consumo di energia dei mezzi di comunicazione portano a limitazioni del raggio massimo di comunicazione radio,
- il numero di strumenti di lavoro a disposizione del robot è notevolmente limitato. Tutte le limitazioni di cui sopra si applicano a un singolo micro-robot. Pertanto, una soluzione ovvia a questi problemi potrebbe essere l'utilizzo di un gruppo di micro-robot in grado di unire gli sforzi per risolvere compiti complessi. I micro-robot possono aiutarsi a vicenda a superare gli ostacoli ed eseguire insieme il trasporto di un grosso corpo. Lo scambio di informazioni in un gruppo di robot consente di espandere le informazioni sull'ambiente a disposizione di ciascun robot. Allo stesso tempo, alcune attività possono essere distribuite tra micro-robot ed eseguite in parallelo. Ad esempio, mentre alcuni robot in un gruppo raccolgono dati ambientali, altri raccolgono campioni di suolo. Inoltre, l'applicazione di gruppo di micro-robot aiuta a ridurre il rischio di fallimento del compito perché il danno di uno o più micro-robot di gruppo nel caso generale (principalmente nelle strategie di sciamatura e controllo collettivo) non porta a un fallimento del compito. Tuttavia, riduce l'efficienza del gruppo. Allo stesso tempo, il danneggiamento delle singole unità di un singolo robot può interrompere il lavoro che esegue e i tentativi di duplicare le unità funzionali più elementari del robot portano ad un aumento della massa, delle dimensioni e del costo del robot, ma non aumentare l'efficienza del lavoro (anche ridurlo, data la grande dimensione e il gruppo).
Strategie per la gestione di un gruppo di micro-robot
L'efficienza dei gruppi di micro-robot dipende principalmente dalla strategia di controllo scelta. Si distingue tra strategie di controllo centralizzate e decentralizzate. Nelle strategie di controllo centralizzate, un dispositivo di controllo centrale ha accesso alle informazioni sullo stato di tutti i robot del gruppo e sull'ambiente. Il dispositivo di controllo valuta la situazione attuale e prende decisioni sulle azioni dei robot del gruppo. Il dispositivo di controllo centrale può trovarsi all'esterno del gruppo (ad esempio, sul pannello di controllo dell'operatore) o a bordo di uno dei robot del gruppo. In quest'ultimo caso si parla di controllo centralizzato "con un master." Le strategie di controllo centralizzato danno buoni risultati quando il numero di robot nel gruppo è piccolo. All'aumentare delle dimensioni del gruppo, aumenta il carico sul canale di comunicazione e sui mezzi di calcolo del dispositivo di controllo. Una soluzione è l'uso di strategie di controllo gerarchiche in cui un gruppo di robot è diviso in sottogruppi, ciascuno con il suo leader (di solito tra i robot del gruppo), e i leader dei sottogruppi sono controllati da un dispositivo di controllo centrale situato a bordo di uno dei robot o, più spesso, all'esterno del gruppo. Le strategie di controllo gerarchico complicano la natura delle comunicazioni tra i robot del gruppo, imponendo requisiti severi alle apparecchiature di comunicazione di bordo. Le interferenze nel canale di comunicazione sono altamente dannose per il gruppo che opera con strategie di controllo centralizzate. Inoltre, il guasto di un robot che controlla un gruppo o un sottogruppo comporta gravi problemi: la comunicazione con tutti i robot sotto il suo controllo viene persa. Le strategie di controllo decentralizzato dei gruppi di robot comprendono strategie di controllo collettivo, a sciame e a sciame. In una strategia di controllo collettivo, ogni robot di un gruppo riceve informazioni da tutti gli altri robot del gruppo e trasmette le informazioni raccolte sull'ambiente e sul proprio stato al canale di comunicazione, in modo che queste informazioni siano disponibili a tutti gli altri robot del gruppo. In questo modo, lo scambio di informazioni in un gruppo di robot sotto controllo collettivo avviene secondo il principio "each to all". In questo modo, ogni robot può valutare in modo indipendente la situazione attuale e decidere le azioni necessarie. Le strategie di controllo collettivo consentono al gruppo di mantenere l'operatività in caso di guasto di uno o più robot del gruppo. Il carico sul canale di comunicazione aumenta in modo direttamente proporzionale al numero di robot del gruppo. Aumenta anche la limitazione dei dispositivi informatici a bordo dei robot, che devono elaborare le informazioni ricevute. Sebbene il limite superiore delle dimensioni ammissibili del gruppo nei metodi di controllo collettivo sia, in media, più alto rispetto ai metodi centralizzati, la "scalabilità" di questi metodi lascia molto a desiderare. Nelle strategie di controllo a sciame, non esiste un canale di comunicazione dedicato per lo scambio di informazioni tra i robot; ogni robot raccoglie informazioni sull'ambiente in modo indipendente e decide autonomamente le azioni successive per contribuire al compito del gruppo. L'assenza di comunicazione tra i robot di un gruppo con le strategie di controllo a sciame consente di risolvere con successo solo quei compiti che possono essere facilmente suddivisi in sottocompiti indipendenti e non correlati. Il principale vantaggio delle strategie di controllo a sciame è la scalabilità: la complessità computazionale dei compiti di controllo non aumenta con l'aumentare delle dimensioni del gruppo di robot, consentendo alle strategie a sciame di controllare enormi gruppi di micro-robot. I metodi dell'intelligenza di sciame, già utilizzati per risolvere molti problemi pratici, possono essere applicati al controllo di grandi gruppi di robot, il che ha portato alla comparsa di una direzione separata, la cosiddetta robotica di sciame. Ogni robot del gruppo comunica solo con alcuni robot vicini che rientrano nel raggio di visibilità limitato dalla portata dei suoi dispositivi di telecomunicazione (o limitato artificialmente). Ogni robot decide autonomamente le azioni da intraprendere in base a semplici regole locali. Il robot ha accesso alle informazioni sull'ambiente raccolte autonomamente, nonché alle informazioni sull'ambiente e sullo stato di alcuni robot del gruppo che gli sono state trasmesse dai robot vicini. Il robot trasmette i dati raccolti sull'ambiente e sulla sua forma al canale di comunicazione. Queste informazioni diventano disponibili ai robot nella cui linea di vista il robot entra (nel caso dello stesso raggio di vista, si tratta dei robot vicini). Questo approccio fornisce ai robot più informazioni sull'ambiente rispetto alle strategie di controllo dello sciame. Le informazioni disponibili riguardano l'area circostante, cioè sono le più rilevanti. Allo stesso tempo, la scalabilità è preservata: l'aumento delle dimensioni del gruppo non aumenta il carico sui dispositivi informatici di bordo. I metodi di intelligenza di sciame offrono quindi eccellenti opportunità per sviluppare micro-robot applicabili in massa, consentendo di utilizzare con successo grandi gruppi di micro-robot. Tuttavia, i risultati della robotica a sciame sono limitati a pochi progetti sperimentali e sono ancora poco diffusi nella pratica.
Ostacoli allo sviluppo di applicazioni per gruppi di micro-robot
Uno degli ostacoli apparenti allo sviluppo della robotica di sciame è che gruppi multipli di micro-robot devono servire come oggetti di controllo, il che a sua volta implica una produzione di massa di micro-robot relativamente poco costosa. I progressi della microelettronica, della meccatronica e delle nanotecnologie suggeriscono che la produzione di massa di micro-robot sarà possibile ed economicamente fattibile a breve.
Il secondo ostacolo è la mancanza di una teoria e di approcci generali per la creazione e lo sviluppo di metodi di controllo degli sciami in gruppi di robot. Finora, gran parte della ricerca si è concentrata sull'utilizzo di analoghi naturali dei metodi di intelligenza di sciame per risolvere problemi tecnici: formiche, api, stormi di uccelli e banchi di pesci e sistemi immunitari sono serviti come prototipi per vari metodi di intelligenza di sciame..
Le differenze nei compiti e nelle capacità dei sistemi naturali e tecnici rendono difficile trovare e adattare algoritmi naturali per risolvere problemi tecnici. Diversi tipi di ricerca sono dedicati alla creazione di metodi artificiali di intelligenza di sciame, inizialmente destinati a risolvere problemi pratici. Purtroppo, la mancanza di un approccio unificato complica questi studi. Infatti, ogni nuovo problema viene risolto quasi "da zero" ogni volta. Si prevede che l'utilizzo di un sistema adatto a risolvere diversi compiti semplificherà in modo significativo il compito di organizzare l'interazione dello sciame in gruppi di micro-robot applicabili in massa..
Piccoli robot, grandi prospettive
Gli oggetti a livello micro sono governati da forze e leggi molto diverse da quelle a livello macro, quindi la ricerca di base su questi fenomeni sembra inevitabile. Una sfida significativa nell'utilizzo di micro-robot mobili è quella di ottenere un comportamento e una controllabilità prevedibili, compreso il comportamento di sciame. Inoltre, i micro-robot utilizzati per osservazioni con applicazioni sia militari che civili necessitano di fonti di energia affidabili e a lungo termine. Tali applicazioni comportano anche sfide significative per la progettazione dei micro-robot, a seconda dell'ambiente di applicazione dei micro-robot volanti, striscianti o fluttuanti. Anche la comunicazione negli sciami di micro-robot rappresenta una grande sfida in queste applicazioni. Una cosa è chiara: anche se molti progetti e idee sui micro-robot sono ancora agli inizi, questo settore è destinato a crescere enormemente perché le opportunità sono numerose. Secondo Energias Market Research, il tasso di crescita annuo composto cumulativo del mercato globale dei micro-robot fino al 2024 sarà del 65%, in quanto vari settori troveranno applicazioni per queste tecnologie.