Hanno inventato i liquibot, minuscoli robot capaci di operare continuativamente all’interno di un determinato liquido in una specie di moto perpetuo.
Quando si pensa a un robot, potrebbero venire in mente immagini di R2-D2 o C-3PO. Ma i robot possono offrire qualcosa di più del semplice intrattenimento sul grande schermo. In un laboratorio, ad esempio, i sistemi robotici possono migliorare la sicurezza e l’efficienza eseguendo attività ripetitive e gestendo sostanze chimiche aggressive.
Ma prima che un robot possa mettersi al lavoro, ha bisogno di energia, in genere recuperandola dall’elettricità o da una batteria. Eppure anche il robot più sofisticato può rimanere senza energia. Per molti anni, gli scienziati hanno lavorato per realizzare un robot in grado di funzionare in modo autonomo e continuo, senza input elettrici.
Ora, come riportato di recente sulla rivista Nature Chemistry, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy e dell’Università del Massachusetts Amherst hanno ottenuto proprio questo – attraverso robot liquidi che “camminano sull’acqua” che, come minuscoli sottomarini si tuffano sott’acqua per recuperare sostanze chimiche preziose per poi risalire in superficie per fornire le sostanze chimiche ancora e ancora.
In questo breve video, robot liquidi di appena 2 millimetri di diametro trasportano sostanze chimiche avanti e indietro mentre sono parzialmente immersi nella soluzione. Credito: Ganhua Xie e Tom Russell/Berkeley Lab
Questa tecnologia ha realizzato il primo robot acquoso autoalimentato che funziona continuativamente senza elettricità. Ha potenzialità interessanti per la sintesi chimica automatizzata o come sistema di somministrazione di farmaci.
“Abbiamo superato una barriera nella progettazione di un sistema robotico liquido in grado di funzionare autonomamente utilizzando la chimica per controllare la galleggiabilità di un oggetto“, ha affermato l’autore senior Tom Russell, professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso l’Università del Massachusetts Amherst che guida il programma Adaptive Interface Assemblies Towards Structuring Liquids nella divisione di scienze dei materiali di Berkeley Lab.
Russell ha affermato che la tecnologia fa avanzare in modo significativo una famiglia di dispositivi robotici chiamati “liquibot”. In studi precedenti, altri ricercatori hanno realizzato liquibot che svolgono autonomamente un compito, ma solo una volta; e alcuni liquibot possono svolgere un compito continuamente, ma hanno bisogno di elettricità per continuare a funzionare. Al contrario, “non dobbiamo fornire energia elettrica perché i nostri liquibot ottengono la loro energia o ‘cibo’ chimicamente dal mezzo circostante“, ha spiegato Russell.
Attraverso una serie di esperimenti nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, Russell e il primo autore Ganhua Xie, un ex ricercatore post-dottorato al Berkeley Lab che ora è professore all’Università di Hunan in Cina, hanno appreso che “nutrire” il sale dei liquibot rende i liquibot più pesanti o più densi della soluzione liquida che li circonda.
Ulteriori esperimenti dei co-investigatori Paul Ashby e Brett Helms della Molecular Foundry del Berkeley Lab hanno rivelato come i liquibot trasportano le sostanze chimiche avanti e indietro.
Poiché sono più densi della soluzione, i liquibot, che sembrano piccoli sacchi aperti e hanno un diametro di soli 2 millimetri, si raggruppano al centro della soluzione dove si riempiono delle sostanze chimiche selezionate. Questo innesca una reazione che genera bolle di ossigeno, che come piccoli palloncini sollevano il liquibot in superficie.
Un’altra reazione spinge i liquibot sul bordo di un container, dove “atterrano” e scaricano il loro carico.
I liquibot vanno avanti e indietro, come il pendolo di un orologio, e possono funzionare continuamente finché c’è “cibo” nel sistema.
A seconda della loro formulazione, una serie di liquibot potrebbe svolgere diversi compiti contemporaneamente. Ad esempio, alcuni liquibot potrebbero rilevare diversi tipi di gas nell’ambiente, mentre altri reagiscono a specifici tipi di sostanze chimiche. La tecnologia può anche consentire sistemi robotici autonomi e continui che schermano piccoli campioni chimici per applicazioni cliniche o applicazioni di scoperta e sintesi di farmaci.
Russell e Xie hanno in programma di studiare come ampliare la tecnologia per sistemi più grandi ed esplorare come funzionerebbe su superfici solide.
Riferimento: “Continuous, autonomous subsurface cargo shuttling by nature-inspired meniscus-climbing systems” di Ganhua Xie, Pei Li, Paul Y. Kim, Pei-Yang Gu, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Lei Jiang e Thomas P Russell, 29 novembre 2021, Chimica della natura .
DOI: 10.1038/s41557-021-00837-5
La Molecular Foundry è una struttura per utenti di nanoscienze presso il Berkeley Lab.
Questo lavoro è stato sostenuto dal DOE Office of Science. Un ulteriore supporto è stato fornito dall’Ufficio di ricerca dell’esercito americano.
