La maggior parte della ricerca nel campo delle nanoscienze è sponsorizzata dalle forze armate e si concentra quindi sulle applicazioni militari. Le applicazioni si estendono a un ampio spettro di sviluppi.
Il fatto è che ora abbiamo un’informazione davvero aperta su questi sviluppi, e sapere che il settore militare è molto più sviluppato (in anticipo di 30-50 anni), può dare un’idea di dove arrivino le reali possibilità. Dietro la polvere intelligente c’è uno dei più potenti motori del progresso tecnologico americano, la Defense Aduanced Research Projects Agency (Darpa).
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La polvere intelligente per la raccolta di dati, composta da sciami di piccoli robot aerei, potrebbe navigare nei cieli ventosi grazie a una tecnologia ispirata alla mosca della frutta.
Se si pensa ai robot volanti, si potrebbe pensare ai droni che controllano l’inventario nei magazzini o che effettuano consegne di pacchi all’ultimo chilometro. Altri casi d’uso sono le riprese e le operazioni di sorveglianza. In tutti questi esempi, però, i dispositivi sono relativamente grandi e facilmente visibili a occhio nudo. Esiste un’intera categoria di macchine volanti miniaturizzate (grazie alla microfabbricazione del silicio) denominata polvere intelligente, con interessanti applicazioni industriali.
Polvere intelligente
Sciami di minuscoli robot aerei – ogni dispositivo non pesa più di un chicco di riso – potrebbero raccogliere informazioni sulla temperatura, la pressione, il suono, le sostanze chimiche o altri dati in un’ampia area. Negli ultimi anni, i ricercatori statunitensi hanno fatto grandi progressi nella creazione di vari progetti ispirati agli insetti. Ne sono un esempio i RoboBees dell’Università di Harvard, il Soft Fly del MIT e il RoboFly, sviluppato dagli ingegneri dell’Università di Washington.
Gli inventori di RoboBees affermano che il loro progetto può essere utilizzato per l’impollinazione delle colture e come occhi nel cielo per assistere le missioni di ricerca e salvataggio. Ciascuno dei dispositivi volanti in miniatura – che misurano la lunghezza di mezza graffetta – è consapevole dei suoi vicini in volo, permettendo ai Robobees di coordinarsi e comportarsi come un’unità. Le modifiche apportate consentono ai piccoli robot di nuotare sott’acqua. E le unità possono “appollaiarsi” sulle superfici utilizzando l’elettricità statica.
I progressi nel campo includono il miglioramento della portanza. Gli sviluppatori di Soft Fly riferiscono di un miglioramento dell’80%, che consente il recupero in caso di collisione e permette ai piccoli robot volanti di eseguire capriole. Le unità aeree sono alimentate da attuatori elastomerici dielettrici in grado di pilotare ali robotiche miniaturizzate che sbattono a una frequenza di 300 Hz. I perfezionamenti apportati al progetto complessivo consentono un’autonomia di volo di circa 40 minuti. Inoltre, gli schemi wireless potrebbero migliorare questo risultato, consentendo alla polvere intelligente di rimanere in aria più a lungo.
RoboFly (di dimensioni non dissimili da quelle di una vera mosca) è dotato di un circuito a bordo progettato per convertire l’energia laser incidente in elettricità per alimentare le ali del dispositivo. La creazione – poco più pesante di uno stuzzicadenti, secondo il team – può volare finché si trova nel raggio d’azione del laser. L’elettricità trasmessa alle ali del piccolo robot aereo viene modellata con una serie di impulsi. Il risultato è un movimento ondeggiante che riproduce in modo molto simile l’efficienza del volo degli insetti.
Altre opzioni energetiche potrebbero includere la raccolta di energia dai segnali di radiofrequenza. All’elenco dei casi d’uso si aggiunge la possibilità di fiutare le fughe di gas. In questo caso gli inventori si sono ispirati al fatto che le mosche sono brave a scoprire gli odori. È chiaro che le prospettive della polvere intelligente stimolano l’immaginazione. Tuttavia, per portare sul mercato sciami di robot volanti in miniatura è necessario eliminare alcune sfide tecniche dalla lista. Ma gli ingegneri stanno facendo progressi su questo fronte.
Volo senza giroscopio
Pubblicando i risultati nel numero di novembre 2022 di Science Robotics, gli ingegneri meccanici statunitensi hanno esaminato le opportunità di risparmio di peso per le polveri intelligenti. I dispositivi attuali sono notevoli sotto molti punti di vista, come già detto, ma sono ancora relativamente pesanti, con un peso compreso tra 100 e 600 mg. “La riduzione delle dimensioni al di sotto dei 10 mg amplifica molti dei vantaggi dipendenti dalla scala dei piccoli robot”, scrivono gli autori dello studio.
Secondo il team, i robot volanti più piccoli potrebbero essere impiegati in numero maggiore a costi simili. Inoltre, un design leggero potrebbe mappare i modelli di flusso d’aria in modi che oggi non sono possibili. Ma uno dei maggiori vantaggi deriva dai miglioramenti nella raccolta di energia. “L’aumento del rapporto superficie/volume… favorisce l’energia solare nei piccoli robot”, sottolineano i ricercatori nel loro lavoro.
La parte difficile per i progettisti di polveri intelligenti è che, mentre la lunghezza si sviluppa linearmente, la massa varia alla potenza di tre. “Questo implica che la massa del sensore deve diminuire con la riduzione della scala, il che esclude molti tipi di sensori”, scrive il team. Ciò significa che i progetti minuscoli dovranno rinunciare a componenti relativamente pesanti come il giroscopio e il telemetro. Inoltre, è necessario prestare attenzione alla potenza dei sensori e dei controllori per soddisfare un budget energetico potenzialmente più ristretto.
Set di sensori da 6,2 mg
Nella loro simulazione, gli ingegneri hanno dimostrato che è possibile stabilizzare un robot volante di 10 mg utilizzando un accelerometro di serie del peso di 2 mg. La suite di sensori è completata da una telecamera a flusso ottico e da un microcontrollore, che complessivamente portano il totale a soli 6,2 mg. Si tratta di un miglioramento di 22 volte rispetto a un quad-rotore di 30 g (il robot volante più leggero che ha eseguito l’hovering autonomo con sensori).
Per quanto riguarda la potenza, il pacchetto da 10 mg potrebbe assorbire appena 167 µW, con un miglioramento di 128 volte rispetto al dispositivo quad-rotore del mondo reale. La soluzione senza giroscopio è un cenno al modo in cui un moscerino della frutta riconosce la velocità dell’aria dalla curvatura delle sue antenne. I calcoli dimostrano che un accelerometro dovrebbe essere in grado di fornire input utili, data l’elevata accelerazione dovuta alla resistenza dell’aria sui piccoli robot volanti.
La soluzione è completata da una telecamera di pochi pixel, che può essere puntata sul terreno per eseguire le cosiddette misurazioni del “flusso ottico”. Questo componente, compresa la lente multielemento, pesa solo 1 mg. Le letture di luminanza raccolte ad angoli uniformemente distanziati contribuiscono all’elaborazione visiva basata sull’autocorrelazione. Questo permette a un micro-robot aereo di stimare e respingere il vento e di controllare il proprio assetto. Questi sviluppi sono sicuramente uno spunto di riflessione sul progresso verso la polvere intelligente.
Traduzione a cura di Nogeoingegneria
FONTE https://techhq.com/2022/11/smart-dust-prospects-improve-thanks-to-lightweight-sensor-suite/
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