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Robotica e IA

Lo spray magnetico che trasforma oggetti inanimati in millirobot

Scritto da Anna Bandoni

Semplicità ed innovazione sono le parole chiave che contraddistinguono il nuovo spray magnetico realizzato dal team di ricerca guidato dal Dottor Shen Yajing, Professore Associato del Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell’Università di Hong Kong CityU in collaborazione con l’Istituto Shenzhen di Tecnologia Avanzata (SIAT) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS).

Spruzzando questo spray magnetico e glutinoso sulle superfici di oggetti che dapprima erano inanimati, è stato possibile trasformarli in millirobot. Poiché il rivestimento magnetico è biocompatibile e può essere disintegrato in polveri quando necessario, questa tecnologia dimostra avere un interessante potenziale per le applicazioni biomediche, in particolare per quanto riguarda la navigazione per mezzo di catetere e il rilascio di farmaci.

research team Dr Shen Yajing Tan Tong Yang Xiong CityU SIAT CAS Hong Kong M-spray millirobot
Figura 1: Il team di ricerca guidato dal Dr. Shen (al centro), assieme ai ricercatori Tan Rong (a sinistra) e Yang Xiong (a destra).

La trasformazione di oggetti in millirobot attraverso un rivestimento magnetico 

In tutto il mondo gli scienziati stanno sviluppando millirobot, ossia robot aventi le dimensioni di insetti, che possono adattarsi a diversi ambienti per l’esplorazione e le applicazioni biomedicali.

Il team di ricerca del Dr. Shen si è fatto notare per aver adottato un semplice approccio a riguardo, riuscendo a creare dei millirobot andando a spruzzare sugli oggetti uno spray magnetico glutinoso, denominato M-spray.

La nostra idea è quella di andare a depositare questo ‘strato magnetico’ su qualsiasi oggetto, così da poterlo trasformare in un robot e controllare la sua locomozione. L’M-spray che abbiamo sviluppato può attaccarsi alla superficie in questione e ‘attivare’ l’oggetto quando nelle vicinanze è acceso un campo magnetico.

spiega il Dr Shen.

Composto da alcool polivinilico (PVA), glutine e particelle di ferro, l’M-spray può aderire sia su superfici lisce che ruvide di oggetti 1D, 2D e 3D in maniera istantanea, stabile e salda. Il film che si viene a formare ha uno spessore che va da 0.1 a 0.25 mm, il che lo rende sottile abbastanza da preservare dimensione e forma della struttura originale.

Dopo aver rivestito l’oggetto con l’M-spray, i ricercatori lo magnetizzano in una singola o multiple direzioni di magnetizzazione, così da poter controllare come l’oggetto si è mosso sotto l’azione di un campo magnetico. Successivamente si applica calore finché il rivestimento non si solidifica.

In questo modo, quando nelle vicinanze è attivo un campo magnetico, gli oggetti possono trasformarsi in millirobot con diverse modalità di locomozione, ad esempio possono strisciare, capovolgersi e rotolare su varie superfici come vetro, pelle, legno e sabbia.
Il team ha effettuato vari esperimenti riuscendo a convertire fili di cotone (1D) in un robot rettile soffice, origami (2D, planare) in un robot multi-piede, film in polidimetilsilossano (superficie curva e soffice in 2D) in un robot capace di camminare e pipette di plastica (oggetti rotondi in 3D) in un robot capace di rotolare. I risultati sono mostrati nelle foto qui sotto.

Figura 2: Diverse applicazioni dell’M-spray su oggetti 1D, 2D e 3D.

La riprogrammazione on-demand per cambiare la modalità della locomozione

Ciò che rende questo approccio speciale è che il team è riuscito a riprogrammare la locomozione del millirobot in modalità on-demand.
Mr. Yang Xiong, il primo co-autore di questo paper, ha spiegato che, convenzionalmente, l’iniziale struttura del robot è solitamente fissata una volta che viene fabbricato, cosa che lo rende vincolato nella versatilità dei movimenti che può compiere. Tuttavia, se si va ad inumidire il solido con un rivestimento completo di M-spray per renderlo adesivo e successivamente si applica un forte campo magnetico, la distribuzione e la direzione di allineamento delle particelle magnetiche rivestite da M-spray può essere cambiata.

I loro esperimenti mostrano che lo stesso millirobot potrebbe passare a diverse modalità di locomozione: se in uno spazioso ambiente può muoversi velocemente e tridimensionalmente strisciando come un bruco, dopo una riprogrammazione, in un luogo più ristretto si muoverà lentamente e bidimensionalmente come una fisarmonica. 

caterpillar 3D reprogramming concertina 2D millirobot bruco fisarmonica movement locomotion magnetic field
Figura 3: Dopo essere stato riprogrammato, il millirobot cambia il suo moto da bruco (3D) a fisarmonica (2D).

Capacità di orientamento e proprietà di disintegrazione

Questa caratteristica che sfrutta la riprogrammabilità del millirobot a comando è particolarmente utile per lo spostamento degli stessi verso specifici target. Per indagare il potenziale che si può riscontrare nelle applicazioni biomediche, il team ha portato avanti una serie di esperimenti con catetere, che è ampiamente utilizzato in ambito diagnostico, terapeutico o chirurgico per scopi di drenaggio, somministrazione di farmaci o introduzione di strumenti chirurgici all’interno del corpo umano. È stato dimostrato che il catetere rivestito da M-spray può seguire dei percorsi curvilinei sia lisci che più taglienti. Inoltre, si è registrato un impatto alquanto limitato da parte del flusso ematico verso la mobilità e la stabilità del rivestimento sul catetere.

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Figura 4: Dopo aver azionato un campo magnetico, la capsula rivestita da M-spray si allinea con esso.

Eseguendo esperimenti di riprogrammazione su diverse sezioni di un filo di cotone, è stato mostrato come il millirobot può senza problemi effettuare una sterzata rapida per poi riuscire ad attraversare un condotto stretto e irregolare. Il Dr. Shen ha sottolineato come, da un punto di vista di un’applicazione clinica, questo aspetto può essere sfruttato per evitare un’inaspettata caduta del catetere lungo la parete della gola durante l’inserzione. Altri siti di interesse dove può essere impiegata la manipolazione con catetere sono l’esofago, i vasi o l’uretra, in quanto la navigazione dello strumento è sempre richiesta.

Un’ultima fondamentale caratteristica di questa tecnologia è che il rivestimento di M-spray può essere disintegrato in polveri on-demand attraverso la manipolazione di un campo magnetico.

Tutte le materie prime dell’M-spray, ossia PVA, glutine e particelle di ferro, sono biocompatibili, così una volta che lo strato si è consumato, può essere assorbito o escreto dal corpo umano.

ha affermato il Dr. Shen, ribadendo il fatto che l’effetto collaterale dovuto alla disintegrazione dell’M-spray è trascurabile.

Drug delivery avvenuto con successo nello stomaco di un coniglio

Per verificare ulteriormente la fattibilità e l’efficacia del M-spray nell’ottica del drug delivery (o rilascio di farmaci), il team di ricerca ha condotto un test in vivo utilizzando come cavie dei conigli e servendosi di capsule rivestite da M-spray. Durante la fase di rilascio, i conigli sono stati anestetizzati, e la posizione della capsula nello stomaco è stata tracciata attraverso tecniche radiologiche per imaging. Quando la capsula ha raggiunto la regione target, i ricercatori hanno disintegrato il rivestimento azionando un campo magnetico oscillante.

La proprietà di disintegrazione controllabile dell’M-spray consente al farmaco di essere rilasciato direttamente nella zona desiderata piuttosto che finire per essere disperso all’interno dell’organo.

ha aggiunto il professore
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Figura 5: Capsule rivestite da M-spray utilizzate per il drug delivery all’interno dello stomaco di un coniglio.

Sebbene in un ambiente molto acido (pH di circa 1) lo strato magnetico si disintegra nel giro di 8 minuti; se si va ad aggiungere un ulteriore strato di PVA sulla superficie già ricoperta da M-spray, si può prolungare il tempo a 15 minuti. Inoltre, sostituendo le particelle di ferro con particelle di nichel, il rivestimento può rimanere stabile in un ambiente acido anche per più di 30 minuti.

I risultati ottenuti dai nostri esperimenti indicano che per mezzo dell’M-spray si possono realizzare diversi tipi di millirobot, in grado di adattarsi a varie condizioni di superficie e superare ostacoli. Ci auguriamo che questa strategia da noi ideata possa contribuire allo sviluppo e all’applicazione dei millirobot in più settori, come il trasporto attivo, i sensori mobili e altri dispositivi, in particolare utilizzabili in spazi limitati.

ha infine concluso il Dr Shen.

Conclusioni

Con la realizzazione di questo spray, si è aperta una nuova frontiera nel campo della robotica.
Sembra incredibile e completamente fantascientifico credere solo all’idea che oggetti inanimati possano trasformarsi in minirobot. Non è una pagina tratta dal libro di Frankenstein, ma la pura realtà. La scienza è sempre pronta a sorprenderci e questa volta ci è riuscita benissimo! Di applicazioni in campo biomedicale ne sono già state trovate, ma il futuro che ci aspetta sarà ancora ricco di sorprese! 


Fonti e approfondimenti
  • An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications – robotics.sciencemag.org
  • Magnetic Spray Transforms Inanimate Objects Into Tiny Robots – scitechdaily.com

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Informazioni autore

Anna Bandoni

Aspirante ingegnere biomedico, appassionata di scienza e tecnologia, da sempre affascinata e incuriosita di come l'ingegneria si possa applicare alla medicina

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