Microrobot ispirati alla natura usano onde sonore per formare sciami intelligenti e auto-organizzanti. Questa innovazione potrebbe rivoluzionare la robotica ambientale e medica, aprendo nuove frontiere nella comunicazione acustica e nella materia attiva
Sciami di microrobot guidati da onde sonore: la nuova frontiera della robotica.
Animali come pipistrelli, balene e insetti utilizzano da tempo segnali acustici per comunicare e orientarsi. Ora, un team internazionale di scienziati ha preso spunto dalla natura per modellare robot in miniatura che usano onde sonore per coordinarsi in grandi sciami, mostrando comportamenti simili all’intelligenza. Secondo Igor Aronson (1), professore titolare della cattedra Huck in Ingegneria Biomedica, Chimica e Matematica alla Penn State, questi gruppi di robot potrebbero un giorno svolgere compiti complessi come esplorare zone colpite da disastri, ripulire aree inquinate o eseguire trattamenti medici dall’interno del corpo.
«Immaginate sciami di api o moscerini», ha detto Aronson. «Si muovono, questo genera suono, e il suono li mantiene coesi, molti individui che agiscono come uno solo».
I ricercatori hanno pubblicato il loro lavoro sulla rivista Physical Review X (2).
Poiché gli sciami in miniatura di micromacchine che trasmettono suoni sono auto-organizzanti, possono navigare in spazi ristretti e persino riformarsi se deformati. «L’intelligenza collettiva — o emergente — degli sciami potrebbe un giorno essere sfruttata per svolgere compiti come la bonifica di ambienti contaminati», ha spiegato Aronson.
«Oltre all’ambiente, gli sciami robotici potrebbero potenzialmente operare all’interno del corpo, ad esempio per somministrare farmaci direttamente in un’area problematica. La loro percezione collettiva aiuta anche a rilevare cambiamenti nell’ambiente circostante, e la loro capacità di “auto-ripararsi” consente loro di continuare a funzionare come unità collettiva anche dopo essersi separati, il che potrebbe essere particolarmente utile per il rilevamento di minacce e applicazioni nei sensori», ha aggiunto Aronson. «Questo rappresenta un passo significativo verso la creazione di microrobot più intelligenti, più resilienti e, in definitiva, più utili, con una complessità minima, in grado di affrontare alcuni dei problemi più difficili del nostro mondo», ha detto. «Le intuizioni di questa ricerca sono fondamentali per progettare la prossima generazione di microrobot, capaci di svolgere compiti complessi e rispondere a stimoli esterni in ambienti difficili».
Per lo studio, il team ha sviluppato un modello al computer per tracciare i movimenti di minuscoli robot, ciascuno dotato di un emettitore acustico e di un rilevatore. Hanno scoperto che la comunicazione acustica permetteva agli agenti robotici individuali di collaborare senza soluzione di continuità, adattando forma e comportamento all’ambiente, proprio come un banco di pesci o uno stormo di uccelli.
Sebbene i robot descritti nell’articolo fossero agenti computazionali all’interno di un modello teorico — o basato su agenti — piuttosto che dispositivi fisici realizzati, le simulazioni hanno osservato l’emergere di un’intelligenza collettiva che, secondo Aronson, probabilmente si manifesterebbe anche in uno studio sperimentale con lo stesso design.
«Non ci aspettavamo che i nostri modelli mostrassero un tale livello di coesione e intelligenza da parte di robot così semplici», spiega Aronson. «Si tratta di circuiti elettronici molto semplici. Ogni robot può muoversi in una direzione, ha un motore, un minuscolo microfono, un altoparlante e un oscillatore. Tutto qui, eppure è capace di intelligenza collettiva. Sincronizza il proprio oscillatore alla frequenza del campo acustico dello sciame e migra verso il segnale più forte».
La scoperta segna una nuova pietra miliare per un campo emergente chiamato materia attiva, lo studio del comportamento collettivo di agenti microscopici biologici e sintetici auto-propellenti, dagli sciami di batteri o cellule viventi ai microrobot. «Dimostra per la prima volta che le onde sonore possono funzionare come mezzo di controllo per robot in miniatura», ha spiegato Aronson. «Fino ad ora, le particelle di materia attiva sono state controllate prevalentemente tramite segnali chimici».
«Le onde acustiche funzionano molto meglio per la comunicazione rispetto ai segnali chimici», ha detto Aronson. «Le onde sonore si propagano più velocemente e più lontano quasi senza perdita di energia — e il design è molto più semplice. I robot in pratica ‘sentono’ e ‘trovano’ gli altri, portando all’auto-organizzazione collettiva. Ogni elemento è molto semplice. L’intelligenza e la funzionalità collettive emergono da ingredienti minimi e da una semplice comunicazione acustica».
Gli altri autori dell’articolo sono Alexander Ziepke, Ivan Maryshev ed Erwin Frey della Ludwig Maximilian University di Monaco. La ricerca è stata finanziata dalla John Templeton Foundation.
Riferimenti:
(1) Igor Aronson
(2) Acoustic Signaling Enables Collective Perception and Control in Active Matter Systems
Descrizione foto: Un nuovo studio condotto da ricercatori della Penn State mostra per la prima volta come le onde sonore potrebbero funzionare come mezzo per controllare robot di dimensioni microscopiche. - Credit: Igor Aronson / Penn State.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny robots use sound to self-organize into intelligent groups