Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

La natura ha da tempo padroneggiato l'arte di muoversi tra mondi diversi. Insetti come i gerridi e i coleotteri girafola possono correre sulla superficie di uno stagno e poi risalire una riva fangosa, tutto senza cambiare le zampe o il proprio metodo di movimento. Utilizzano gli stessi arti per spingere contro l'acqua e per spingere contro il suolo, affidandosi alla fisica del loro ambiente per svolgere il lavoro pesante. Per gli ingegneri che cercano di costruire macchine minuscole in grado di fare lo stesso, questo trucco biologico è stato un enigma ostinato. Creare un robot abbastanza piccolo da stare in una tasca — specificamente, uno lungo meno di cinque centimetri — è già di per sé difficile. Far sì che quella stessa macchina si muova rapidamente e con agilità sia sulla terra asciutta che sulla superficie dell'acqua, trasportando la propria batteria e il proprio cervello, sembrava quasi impossibile. La sfida risiede nel fatto che la terra e l'acqua richiedono tipi di movimento molto diversi; ciò che funziona per correre sulla terra spesso non funziona per nuotare, e viceversa. Di solito, risolvere questo problema richiede macchine complesse con molteplici serie di parti mobili, che sono troppo pesanti e ingombranti per adattarsi a una struttura delle dimensioni di un insetto.

Un team di ricercatori ha ora sviluppato una soluzione che sfida questo compromesso. Hanno creato un robot anfibio di scala entomologica, privo di cavi, lungo solo 2,1 centimetri e con un peso di soli 1,69 grammi. Questa minuscola macchina può sfrecciare sul terreno e scivolare sulla superficie dell'acqua con una velocità sorprendente, il tutto trasportando la propria fonte di energia e un sistema di controllo wireless. Il segreto del suo successo è un singolo, intelligente schema di movimento che funziona in entrambi gli ambienti. Inve al di usare diverse zampe per nuotare e per correre, il robot utilizza un unico set di attuatori per azionare una coppia di arti che fungono sia da zampa da corsa che da pagaia per il nuoto. Facendo vibrare questi arti con un ritmo specifico e asimmetrico, il robot genera il movimento in avanti sulla terra e sull'acqua senza la necessità di cambiare l'hardware o la sua andatura.

Il design del robot trae ispirazione dal modo in cui nuotano i coleotteri girafola. Questi coleotteri hanno zampe che si aprono ampiamente quando spingono all'indietro per afferrare l'acqua, ma si ripiegano strette quando oscillano in avanti per ridurre la resistenza. I ricercatori hanno imitato questo comportamento con una pagaia da nuoto attaccata alla zampa anteriore del robot. Questa pagaia è collegata da una speciale cerniera che le permette di oscillare liberamente in una direzione, ma di bloccarsi nell'altra. Quando il robot vibra, la pagaia oscilla ampiamente durante la fase di spinta, per spingere contro l'acqua, creando una forte spinta in avanti. Durante la fase di ritorno, la pagaia si ripiega, incidendo l'acqua con una resistenza minima. Questo crea una spinta netta che guida il robot in avanti. Sulla terra, lo stesso schema di vibrazione funziona diversamente. Il corpo del robot è leggermente inclinato, così quando la zampa oscilla all'indietro, colpisce il terreno con forza per spingere il robot in avanti. Quando oscilla in avanti, si solleva leggermente in aria, evitando l'attrito. Questo semplice movimento unidirezionale permette al robot di correre e nuotare utilizzando esattamente la stessa configurazione meccanica.

Per dimostrare che questo concetto funziona nel mondo reale, il team ha costruito un prototipo e lo ha testato in un ambiente controllato. Hanno equipaggiato il robot con una piccola batteria al litio e un circuito di controllo wireless, rendendolo completamente autonomo. Nei test su una superficie di plastica, il robot ha raggiunto una velocità massima di 32,5 centimetri al secondo, ovvero circa 15,5 volte la propria lunghezza corporea ogni secondo. Sull'acqua, ha raggiunto gli 11,3 centimetri al secondo, ovvero 5,4 lunghezze corporee al secondo. Queste velocità sono significativamente superiori a quelle di qualsiasi altro robot privo di cavi di queste dimensioni mai realizzato finora. Il robot ha anche dimostrato un'impressionante agilità, capace di girare a terra a una velocità di 760 gradi al secondo e di girare sull'acqua a 450 gradi al secondo. È stato in grado di navigare attorno a ostacoli galleggianti, spostare detriti leggeri e persino salire una pendenza dolce per passare dall'acqua alla terra e viceversa.

I ricercatori non si sono affidati solo a tentativi ed errori; hanno utilizzato modelli informatici per comprendere esattamente come si muovesse il robot. Hanno scoperto che la velocità del robot dipende fortemente dalla frequenza delle sue vibrazioni. Quando la frequenza di vibrazione coincide con la risonanza naturale della struttura del robot, il movimento diventa più efficiente, generando la massima velocità possibile. Hanno anche scoperto che la dimensione della pagaia da nuoto e la rigidità della sua cerniera erano fattori critici. Se la pagaia era troppo grande o la cerniera troppo rigida, il robot non riusciva a muoversi velocemente. Affinando questi dettagli, hanno ottimizzato il design per garantire prestazioni ottimali. Lo studio conferma che è possibile creare una macchina che sia incredibilmente piccola e incredibilmente veloce, a patto che utilizzi una strategia di movimento che rispetti la fisica sia dell'aria che dell'acqua.

Questo traguardo rappresenta un passo significativo avanti nel campo della microrobotica. Finora, la maggior parte dei piccoli robot capaci di muoversi su terra e acqua erano troppo lenti, troppo grandi o richiedevano un cavo per l'alimentazione. Questo nuovo robot dimostra che un meccanismo singolo e semplice può gestire le complesse richieste di due mondi differenti. Apre la strada a future macchine che potrebbero esplorare zone di disastro, cercare sopravvissuti in aree allagate o monitorare ecosistemi delicati senza disturbarli. I ricercatori hanno osservato che, sebbene il loro attuale robot funzioni bene su superfici lisce, le versioni future dovranno adattarsi a terreni più accidentati come sabbia o erba. Prevedono anche di aggiungere sensori visivi in modo che il robot possa navigare autonomamente senza il controllo umano. Per ora, tuttavia, la dimostrazione di un robot di 2,1 centimetri che corre e nuota ad alte velocità rappresenta una chiara prova che i trucchi della natura possono essere tradotti con successo nell'ingegneria, creando macchine che sono agili quanto gli insetti che le hanno ispirate.