La libellula DraBot senza elettronica segnala le interruzioni ambientali

Gli ingegneri della Duke University hanno sviluppato un robot completamente morbido e privo di elettronica a forma di libellula che può sfiorare l’acqua e reagire a condizioni ambientali come pH, temperatura o presenza di olio. La dimostrazione di principio potrebbe essere il precursore di sentinelle ambientali più avanzate, autonome e a lungo raggio per il monitoraggio di un’ampia gamma di potenziali segni rivelatori di problemi.

Il robot morbido è descritto online il 25 marzo sulla rivista Sistemi intelligenti avanzati.

I robot morbidi sono una tendenza in crescita nel settore grazie alla loro versatilità. Le parti morbide possono gestire oggetti delicati come i tessuti biologici che i componenti metallici o ceramici danneggerebbero. I corpi morbidi possono aiutare i robot a fluttuare o a infilarsi in spazi ristretti in cui i telai rigidi rimarrebbero bloccati.

Il campo in espansione era nella mente di Shyni Varghese, professore di ingegneria biomedica, ingegneria meccanica e scienza dei materiali e chirurgia ortopedica alla Duke, quando l’ispirazione colpì.

“Ho ricevuto un’e-mail da Shyni dall’aeroporto che diceva che aveva un’idea per un robot morbido che utilizza un idrogel autorigenerante che il suo gruppo ha inventato in passato per reagire e muoversi autonomamente,” ha detto Vardhman Kumar, un Ph.D. studente nel laboratorio di Varghese e primo autore dell’articolo. “Ma quella era la portata dell’e-mail, e non l’ho più sentita per giorni. Quindi l’idea è rimasta nel limbo per un po’ finché non ho avuto abbastanza tempo libero per inseguirla, e Shyni ha detto di provarci.”

Nel 2012, Varghese e il suo laboratorio hanno creato un idrogel autorigenerante che reagisce alle variazioni di pH in pochi secondi. Che si tratti di una crepa nell’idrogel o di due pezzi adiacenti “dipinto” con esso, un cambiamento di acidità fa sì che l’idrogel formi nuovi legami, che sono completamente reversibili quando il pH ritorna ai suoi livelli originali.

L’idea scritta frettolosamente di Varghese era quella di trovare un modo per utilizzare questo idrogel su un robot morbido che potesse viaggiare attraverso l’acqua e indicare i luoghi in cui il pH cambia. Insieme ad alcune altre innovazioni per segnalare i cambiamenti nell’ambiente circostante, ha pensato che il suo laboratorio potesse progettare un robot del genere come una sorta di sensore ambientale autonomo.

Con l’aiuto di Ung Hyun Ko, un borsista postdottorato anche lui nel laboratorio di Varghese, Kumar ha iniziato a progettare un robot morbido basato su una mosca. Dopo diverse iterazioni, la coppia ha optato per la forma di una libellula progettata con una rete di microcanali interni che ne consentono il controllo con la pressione dell’aria.

Hanno creato il corpo, lungo circa 2,25 pollici con un’apertura alare di 1,4 pollici, versando silicone in uno stampo di alluminio e cuocendolo. Il team ha utilizzato una litografia morbida per creare canali interni e collegato con tubi flessibili in silicone.

Nasce DraBot.

“Convincere DraBot a rispondere ai controlli della pressione dell’aria su lunghe distanze utilizzando solo autoattuatori senza elettronica è stato difficile,” disse Ko. “Questa è stata sicuramente la parte più impegnativa.”

DraBot funziona controllando la pressione dell’aria che entra nelle sue ali. I microcanali portano l’aria nelle ali anteriori, dove fuoriesce attraverso una serie di fori puntati direttamente nelle ali posteriori. Se entrambe le ali posteriori sono abbassate, il flusso d’aria è bloccato e DraBot non va da nessuna parte. Ma se entrambe le ali sono alzate, DraBot va avanti.

Per aggiungere un elemento di controllo, il team ha anche progettato attuatori a palloncino sotto ciascuna delle ali posteriori vicino al corpo di DraBot. Una volta gonfiati, i palloncini fanno arricciare le ali verso l’alto. Cambiando le ali in alto o in basso, i ricercatori dicono a DraBot dove andare.

“Eravamo felici quando siamo riusciti a controllare DraBot, ma è basato su esseri viventi,” disse Kumar. “E gli esseri viventi non si muovono semplicemente da soli, ma reagiscono al loro ambiente.”

È qui che entra in gioco l’idrogel autorigenerante. Dipingendo una serie di ali con l’idrogel, i ricercatori sono stati in grado di rendere DraBot reattivo ai cambiamenti del pH dell’acqua circostante. Se l’acqua diventa acida, l’ala anteriore di un lato si fonde con l’ala posteriore. Invece di viaggiare in linea retta come indicato, lo squilibrio fa sì che il robot ruoti in cerchio. Una volta che il pH torna a un livello normale, l’idrogel “non guarisce,” le ali fuse si separano e DraBot diventa di nuovo pienamente reattivo ai comandi.

Per rafforzare la propria consapevolezza ambientale, i ricercatori hanno anche sfruttato le spugne sotto le ali e hanno drogato le ali con materiali sensibili alla temperatura. Quando DraBot sfiora l’acqua con l’olio che galleggia sulla superficie, le spugne lo assorbiranno e cambieranno colore nel colore corrispondente dell’olio. E quando l’acqua diventa eccessivamente calda, le ali di DraBot cambiano da rosse a gialle.

I ricercatori ritengono che questo tipo di misurazioni potrebbe svolgere un ruolo importante in un sensore robotico ambientale in futuro. La reattività al pH può rilevare l’acidificazione dell’acqua dolce, che è un grave problema ambientale che colpisce diverse regioni geologicamente sensibili. La capacità di assorbire gli oli rende questi robot di scrematura a lunga distanza un candidato ideale per il rilevamento precoce delle fuoriuscite di petrolio. Il cambiamento dei colori a causa delle temperature potrebbe aiutare a individuare i segni della marea rossa e lo sbiancamento delle barriere coralline, che porta al declino della popolazione della vita acquatica.

Il team vede anche molti modi in cui potrebbero migliorare il loro proof-of-concept. Telecamere wireless o sensori a stato solido potrebbero migliorare le capacità di DraBot. E creare una forma di propellente a bordo aiuterebbe robot simili a liberarsi dai loro tubi.

“Invece di usare la pressione dell’aria per controllare le ali, potrei immaginare di usare una sorta di biologia sintetica che genera energia,” disse Varghese. “È un campo completamente diverso da quello in cui lavoro, quindi dovremo parlare con alcuni potenziali collaboratori per vedere cosa è possibile. Ma questo fa parte del divertimento di lavorare su un progetto interdisciplinare come questo.”