ThermoBots: Microrobot sull’acqua

ThermoBots: Microrobot sull'acqua
Un microrobot controllato dal laser che galleggia sulla superficie dell’acqua. Credito: Franco N. Pi帽an Basualdo

Questo progetto di ricerca è nato dalla collaborazione tra due istituzioni con le rispettive competenze: il laboratorio TIPs dell’ULB, in Belgio, che è un gruppo dedicato allo studio dei fenomeni di trasporto e delle interfacce fluide, e il dipartimento AS2M del FEMTO-ST istituto, in Francia, specializzato in microrobotica. E così è nato ThermoBot, un nuovo tipo di piattaforma di manipolazione che lavora sull’interfaccia aria-acqua. ThermoBot utilizza un meccanismo di attuazione originale, un laser a infrarossi che riscalda localmente l’interfaccia aria-acqua, innescando i cosiddetti flussi termocapillari. Combinando le nostre specialità nei fenomeni interfacciali e nella robotica, siamo stati in grado di utilizzare questo flusso per spostare i componenti galleggianti in modo controllato.

L’attuale tendenza tecnologica è verso la miniaturizzazione. Ciò è evidente nell’industria elettronica, con i componenti elettronici che diventano più piccoli di giorno in giorno. La miniaturizzazione dei prodotti richiede lo sviluppo di nuove tecniche per manipolare e assemblare componenti piccoli, a volte fragili. Questo campo è chiamato microassemblaggio, che combina fisica applicata e ingegneria del controllo.

Ci sono due mezzi principali in cui manipolare piccole parti: in aria o in liquidi. L’ambiente aereo sembra più intuitivo, ma presenta alcuni inconvenienti, principalmente dovuti all’adesione incontrollata. D’altra parte, la micromanipolazione nei liquidi è più favorevole alla manipolazione di materiale biologico e le forze di adesione sono molto ridotte, ma la resistenza viscosa limita la velocità di manipolazione nei liquidi.

Nel nostro caso, abbiamo deciso di lavorare all’interfaccia tra acqua e aria, un media poco esplorato dalla robotica. Oltre a velocità maggiori rispetto alla massa d’acqua, lavorare all’interfaccia aria-acqua ci permette anche di sfruttare i fenomeni interfacciali per generare le forze che creano i movimenti.

Video che spiega i concetti di design alla base di Thermobot. Mostra anche un microrobot controllato dal laser che sfiora la superficie dell’acqua. Credito: Franco N. Pi帽an Basualdo

Abbiamo mostrato la versatilità di ThermoBot come piattaforma di manipolazione (spostamento fino a quattro oggetti contemporaneamente, controllo della posizione e dell’orientamento, tracciamento del percorso) e come può essere utilizzato per assistere l’autoassemblaggio delle particelle, aprendo la strada alla microproduzione in aria -interfaccia acqua.

Sebbene lavorare sull’interfaccia abbia diversi vantaggi come quelli descritti sopra, limita anche le manipolazioni ai movimenti 2D. Inoltre, ThermoBot richiede acqua pura per funzionare, il che limita le sue applicazioni (ad esempio, non potrebbe essere utilizzato per manipolare materiale biologico). Infine, mentre la configurazione sviluppata potrebbe, in teoria, essere utilizzata per manipolare particelle di dimensioni micrometriche, ciò non è stato dimostrato nel manoscritto, alcuni ostacoli imprevisti potrebbero ostacolare la miniaturizzazione di ThermoBot.

Questo lavoro combina bene la fisica (capillarità) e l’ingegneria (robotica). È stato reso possibile da una collaborazione internazionale di lunga data tra Pierre Lambert presso ULB e Aude Bolopion e Micha毛l Gauthier presso FEMTO-ST. Grazie a questo duplice approccio è stato possibile condurre un ampio studio dei fenomeni: dallo studio e modello del flusso stesso allo sviluppo degli algoritmi di controllo, che ben si adattavano all’interesse di Franco Pi帽an Basualdo per la meccanica dei fluidi e il controllo.

Video del sistema Thermobot che assembla un puzzle della casa sulla superficie dell’acqua. Credito: Pi帽an Basualdo et al., Sci. Robot. 6, eabd3557 (2021)

La prospettiva naturale è ora quella di solidarizzare tra loro i componenti dell’assieme. Un’altra difficoltà potrebbe essere l’inquinamento della superficie, in particolare da parte di alcune grandi molecole chiamate tensioattivi che possono ridurre seriamente l’efficienza del nostro approccio. Franco Pi帽an Basualdo sta attualmente lavorando alla quantificazione di questi effetti collaterali.

Fino ad ora, abbiamo solo dimostrato alcune prove di concetto per l’assemblaggio e lo spostamento di oggetti miniaturizzati o robot sull’acqua. Ciò potrebbe consentire nuovi processi di produzione (ad esempio per microfabbriche) o prospettive aperte per robot galleggianti autonomi.


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