Introducere în tehnologia microsistemelor

Microrobotica:

Microbotica (sau microrobotica) este domeniul roboticii miniaturale, în special roboților mobili cu dimensiuni caracteristice mai mici de 1 mm. Termenul poate fi folosit și pentru roboții capabili să manipuleze componente de dimensiunea micrometrului.

Istorie

Microboții s-au născut datorită apariției microcontrolerului în ultimul deceniu al secolului al XX-lea și apariției sistemelor microelectromecanice (MEMS) pe siliciu, deși mulți microboți nu folosesc siliciu pentru componente mecanice, altele decât senzorii. Cea mai timpurie cercetare și proiectare conceptuală a unor astfel de roboți mici au fost efectuate la începutul anilor 1970 în (pe atunci) cercetări clasificate pentru agențiile de informații din SUA. Aplicațiile avute în vedere în acel moment includeau asistență pentru salvarea prizonierilor de război și misiuni de interceptare electronică.

Tehnologiile de suport pentru miniaturizare de bază nu au fost dezvoltate pe deplin la acel moment, astfel încât progresul în dezvoltarea prototipurilor nu a fost imediat rezultat din acest set timpuriu de calcule și design conceptual. Începând cu 2008, cei mai mici microroboți folosesc un dispozitiv de acționare cu zgârieturi.

Dezvoltarea conexiunilor fără fir, în special Wi-Fi (adică în rețelele casnice) a crescut foarte mult capacitatea de comunicare a microboților și, în consecință, capacitatea acestora de a se coordona cu alți microboți pentru a îndeplini sarcini mai complexe. Într-adevăr, multe cercetări recente s-au concentrat pe comunicarea cu microboți, inclusiv un roi de 1.024 de roboți de la Universitatea Harvard care se adună în diferite formeși producția de microboți la SRI International pentru programul DARPA „MicroFactory for Macro Products” care poate construi structuri de rezistență ușoare și înalte.

Microboții numiți xenoboți au fost, de asemenea, construiți folosind țesuturi biologice în loc de metal și electronice. Xenoboții evită unele dintre complicațiile tehnologice și de mediu ale microboților tradiționali, deoarece sunt auto-alimentați, biodegradabili și biocompatibili.

Definiții

În timp ce prefixul „micro” a fost folosit subiectiv pentru a însemna „mic”, standardizarea pe scale de lungime evită confuzia. Astfel, un nanorobot ar avea dimensiuni caracteristice de 1 micrometru sau sub 1 micrometru sau ar manipula componente în intervalul de dimensiuni de la 1 la 1000 nm.

Un microrobot ar avea dimensiuni caracteristice mai mici de 1 milimetru, un milirobot ar avea dimensiuni mai mici de un cm, un mini-robot ar avea dimensiuni mai mici de 10 cm (4 inchi), iar un robot mic ar avea dimensiuni mai mici de 100 cm (39 inchi).

Multe surse descriu, de asemenea, roboții mai mari de 1 milimetru ca microboți sau roboții mai mari de 1 micrometru ca nanoboți.

Consideratii de proiectare

Modul în care microroboții se mișcă depinde de scopul lor și de dimensiunea necesară. La dimensiuni submicronice, lumea fizică cere modalități destul de bizare de a se deplasa. Numărul Reynolds pentru roboții aeropurtați este mai mic decât unitatea; forțele vâscoase domină forțele inerțiale, așa că „zburarea” ar putea folosi vâscozitatea aerului, mai degrabă decât principiul de portanță al lui Bernoulli. Roboții care se deplasează prin fluide pot necesita flageli rotativi, cum ar fi forma mobilă a E. coli.

Săritul este ascuns și eficient din punct de vedere energetic; permite robotului să negocieze suprafețele unei varietăți de terenuri. Calcule de pionierat (Solem 1994) au examinat comportamente posibile bazate pe realități fizice

Una dintre provocările majore în dezvoltarea unui microrobot este realizarea mișcării folosind o sursă de alimentare foarte limitată. Microroboții pot folosi o sursă mică de baterie ușoară, cum ar fi o baterie tip monedă, sau pot absorbi puterea din mediul înconjurător sub formă de vibrații sau energie luminoasă. De asemenea, microroboții folosesc acum motoare biologice ca surse de energie, cum ar fi flagelata Serratia marcescens, pentru a extrage putere chimică din fluidul înconjurător pentru a acționa dispozitivul robot. Acești bioroboți pot fi controlați direct de stimuli precum chimiotaxia sau galvanotaxia, cu mai multe scheme de control disponibile. O alternativă populară la o baterie de bord este alimentarea roboților folosind putere indusă extern. Exemplele includ utilizarea câmpurilor electromagnetice, ultrasunete și lumini pentru a activa și controla microroboții.

Studiul din 2022 s-a concentrat pe o abordare foto-biocatalitică pentru „proiectarea de microroboți acționați de lumină cu aplicații în microbiologie și biomedicină”.

Tipuri și aplicații

Datorită dimensiunilor lor mici, microboții sunt potențial foarte ieftini și ar putea fi utilizați în număr mare (robotică în roiuri) pentru a explora medii prea mici sau prea periculoase pentru oameni sau roboți mai mari. Este de așteptat ca microboții să fie utili în aplicații precum căutarea supraviețuitorilor în clădirile prăbușite după un cutremur sau târarea prin tractul digestiv. Ceea ce le lipsește microboților în forță sau putere de calcul, ei pot compensa folosind un număr mare, ca în roiurile de microboți.