Illustrazioni schematiche del trasporto di merci da parte di uno sciame di robot molecolari (in alto) e immagini a fluorescenza di un robot molecolare che trasporta un carico simile a una sfera blu (in basso). La barra della scala è di 20 micrometri. Specificando la posizione dell’irraggiamento luminoso, è possibile accumulare il carico nella destinazione designata (a destra). La barra della scala è di 50 micrometri. Credito: Mousumi Akter, et al
In una prima mondiale, gli scienziati hanno dimostrato che i robot molecolari sono in grado di portare a termine la consegna del carico impiegando una strategia di sciame, raggiungendo un’efficienza di trasporto cinque volte superiore a quella dei singoli robot.
La robotica degli sciami è una nuova disciplina, ispirata al comportamento cooperativo degli organismi viventi, che si concentra sulla fabbricazione di robot e sul loro utilizzo negli sciami per svolgere compiti complessi. Uno sciame è un comportamento collettivo ordinato di più individui. I robot sciame su macroscala sono stati sviluppati e impiegati per una varietà di applicazioni, come il trasporto e l’accumulo di merci, la formazione di forme e la costruzione di strutture complesse.
Un team di ricercatori, guidato dal Dr. Mousumi Akter e dal Professore Associato Akira Kakugo della Facoltà di Scienze dell’Università di Hokkaido, è riuscito a sviluppare le prime macchine micro-dimensionate funzionanti al mondo sfruttando i vantaggi dello sciame. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Scienza Robotica. Il team comprendeva l’assistente del professor Daisuke Inoue, Università di Kyushu; il professor Henry Hess, Columbia University; il professor Hiroyuki Asanuma, Università di Nagoya; e il professor Akinori Kuzuya, Università del Kansai.
Uno sciame di robot cooperanti acquisisce una serie di caratteristiche che non si trovano nei singoli robot: possono dividere un carico di lavoro, rispondere ai rischi e persino creare strutture complesse in risposta ai cambiamenti nell’ambiente. I microrobot e le macchine su scala micro e nanometrica hanno pochissime applicazioni pratiche a causa delle loro dimensioni; se potessero cooperare in sciami, i loro usi potenziali aumenterebbero enormemente.
Il team ha costruito circa cinque milioni di macchine monomolecolari. Queste macchine erano composte da due componenti biologiche: microtubuli legati al DNA, che permettevano loro di sciamare; e chinesina, che erano attuatori in grado di trasportare i microtubuli. Il DNA è stato combinato con un composto fotosensibile chiamato azobenzene che fungeva da sensore, consentendo il controllo dello sciame. Quando esposto alla luce visibile, i cambiamenti nella struttura dell’azobenzene hanno fatto sì che il DNA formasse doppi filamenti e portarono i microtubuli a formare sciami. L’esposizione alla luce UV ha invertito questo processo.
Il carico utilizzato negli esperimenti era costituito da perle di polistirene di diametro variabile da micrometri a decine di micrometri. Queste perline sono state trattate con DNA legato all’azobenzene; quindi, il carico veniva caricato quando esposto alla luce visibile e scaricato quando esposto ai raggi UV. Tuttavia, il DNA e l’azobenzene utilizzati nelle macchine molecolari e nel carico erano diversi, quindi lo sciame poteva essere controllato indipendentemente dal carico del carico.
Le singole macchine sono in grado di caricare e trasportare perle di polistirene fino a 3 micrometri di diametro, mentre sciami di macchine potrebbero trasportare merci grandi fino a 30 micrometri di diametro. Inoltre, un confronto tra la distanza e il volume di trasporto ha mostrato che gli sciami erano fino a cinque volte più efficienti nel trasporto rispetto alle singole macchine.
Dimostrando che le macchine molecolari possono essere progettate per sciamare e cooperare per trasportare merci con elevata efficienza, questo studio ha gettato le basi per l’applicazione dei microrobot in vari campi. “Nel prossimo futuro, ci aspettiamo di vedere sciami di microrobot utilizzati nella somministrazione di farmaci, nella raccolta di contaminanti, nei dispositivi di generazione di energia molecolare e nei dispositivi di micro-rilevamento”, afferma Akira Kakugo.