ITFI20090237A1 - Dispositivo microrobotico miniaturizzato per la locomozione in ambiente fluido - Google Patents

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Giuseppe Tortora
Pietro Valdastri
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Description

DISPOSITIVO MICROROBOTICO MINIATURIZZATO PER LA LOCOMOZIONE IN
AMBIENTE FLUIDO
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda in generale il campo dei dispositivi micro robotici e più precisamente si riferisce ad un dispositivo miniaturizzato in grado di muoversi autonomamente o in modo controllato per finalità di studio e di analisi di parametri in un ambiente liquido.
Come usato nella presente descrizione, il termine microrobotica à ̈ inteso relativo alla progettazione e fabbricazione di sistemi e componenti robotici con dimensioni millimetriche e micrometriche. Parimenti col termine microrobot à ̈ qui inteso un dispositivo robotico caratterizzato dalle suddette dimensioni e incorporante un’unità di controllo, una sorgente di energia e mezzi attuatori per la sua propulsione e il suo orientamento.
I dispositivi esistenti in grado di muoversi ed eseguire attività in ambienti liquidi sono solitamente sottomarini autonomi o teleoperati per l’analisi dei fondali marini o di condotte, quali ad esempio il sottomarino autonomo descritto in US2007125289 o il sottomarino giocattolo descritto in US4241535 in grado di nuotare in acqua grazie all’azione di un’elica e un timone. Tuttavia, la dimensione di questi dispositivi (da 30 cm in su, come dimensioni lineari) riduce il loro campo di applicazione ai soli sistemi macroscopici, escludendo sistemi idraulici di piccole dimensioni. Nessuno dei sistemi di questa tipologia presenti nello stato dell’arte può essere infatti scalato a dimensioni di qualche decina di millimetri.
I robot delle dimensioni di alcuni decine di millimetri o meno sono stati proposti soprattutto per applicazioni in campo biomedicale. Nello studio delle modalità di locomozione di questi robot sono state adottate soluzioni varie. Sono stati previsti robot che sfruttano metodi convenzionali di locomozione, generalmente eliche (di solito una o due per ottenere la spinta idrodinamica) e timoni per direzionare il moto, anche in versione miniaturizzata (G. Tortora et al., Propeller-based wireless device for active capsular endoscopy in the gastric district, MITAT, Vol. 18, No. 5, pp.280-290, 2009). Sono stati anche proposti sistemi bioispirati, dotati di flagelli meccanici [B. Behkam et al., Modelling and testing of a biomimetic flagellar propulsion method for microscale biomedical swimming robots, 2005 Proc. of the IEEE/ASME Int. Conf. on Adv. Intelligent Mechatronics, pp.37-42], nonché sistemi bio-ibridi, ottenuti integrando, ad esempio, sistemi di propulsione biologici con elementi artificiali, come descritto in US2006073540.
Altri robot con sistemi di locomozione biomimetica, ispirata a pesci robotici o altri organismi acquatici o in generale a sistemi che movimentano una coda, e a lamprede o salamandre, sono descritti ad esempio in Z.G.Zhang et al., Electrostatically actuated robotic fish, IEEE Transactions on Robotics vol. 24, no. 1, pp.118-129, Feb. 2008; B. Kim et al., A biomimetic undulatory tadpole robot using ionic-polimer metal composite actuators, Smart Material and Structures, vol.14, no.6, pp.1579-1585, Nov.2005; C. Stefanini et al., A mechanics for biomimetic actuation in lamprery-like robots, 2006, Proc. of the First IEEE/RAS-EMBS Int. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics, pp.579-584.
Per l’attuazione degli organi di locomozione sono stati proposti attuatori di vario tipo, quali elettromagneti, dispositivi piezoelettrici e materiali compositi attivi. Per quanto riguarda l’attuazione magnetica sono state proposte alcune soluzioni che si basano su meccanismi più complessi e si collocano su scale dimensionali maggiori. Questi dispositivi si basano sull’elementare meccanismo di interazione magnetica per il quale si genera una forza attrattiva o repulsiva a seconda della disposizione spaziale dei magneti permanenti. Si vedano in proposito, ad esempio, JP2007260423, US2006169293, WO2007040269.
Tuttavia, nessuno dei dispositivi robotici del tipo sopra descritto, vuoi per la complessità dei loro meccanismi di azionamento, vuoi per la stessa configurazione dei mezzi che producono il movimento di locomozione, può essere miniaturizzato fino a dimensioni al di sotto di 1-2 cm.
Lo scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un dispositivo microrobotico in grado di muoversi autonomamente in un ambiente liquido che presenti una struttura semplice e compatta dei suoi mezzi di locomozione e che risulti quindi altamente miniaturizzabile.
Uno scopo particolare della presente invenzione à ̈ di fornire un dispositivo micro robotico del tipo summenzionato in grado di mostrare un comportamento collettivo complesso se utilizzato in sciami.
Questi scopi vengono raggiunti con il dispositivo microrobotico secondo la presente invenzione le cui caratteristiche sono riportate nella rivendicazione 1. Ulteriori caratteristiche importanti sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.
Il dispositivo microrobotico secondo la presente invenzione sfrutta una serie di elementi flessibili, ad esempio in forma di appendici o alette in materiale polimerico, magnetici o magnetizzabili, o che inglobano nella propria struttura particelle con proprietà magnetiche o magneti. Gli elementi flessibili sono montati sulla superficie laterale del dispositivo e sono dotati di un movimento ondulatorio basato sull’interazione repulsiva o attrattiva fra forze magnetiche generate su di essi e la forza indotta da un campo magnetico variabile all’interno del dispositivo. Tale campo magnetico variabile può essere generato sia dalla rotazione o dalla traslazione di un magnete permanente per mezzo di un motore, sia da microbobine.
Il dispositivo oggetto della presente invenzione realizza una locomozione biomimetica paragonabile al nuoto di una medusa, o comunque di un sistema pinnato, sfruttando un principio innovativo mediante il quale la variazione di un campo magnetico interno al dispositivo determina la variazione di conformazione di elementi flessibili mobili posti sul corpo del dispositivo. Il movimento di questi elementi flessibili genera delle forze sul mezzo circostante, contribuendo allo spostamento del dispositivo in una determinata direzione.
Ulteriori caratteristiche e i vantaggi del dispositivo microrobotico secondo la presente invenzione risulteranno chiare dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui :
la figura 1 à ̈ una vista prospettica schematica del dispositivo microrobotico secondo l’invenzione;
la figura 2 Ã ̈ una vista in sezione longitudinale del dispositivo di figura 1.
Con riferimento alle figure suddette, si à ̈ indicato con 1 un involucro, che nella forma realizzativa illustrata assume la forma di un corpo sviluppato lungo un asse longitudinale X e presentante un’estremità anteriore 1a e un’estremità posteriore 1b chiuse e sostanzialmente allineate lungo detto asse. All’interno del corpo dell’involucro 1 à ̈ alloggiata una fonte di energia 2, costituita da una batteria (ad esempio una batteria agli ioni di litio) o da un sistema alimentabile dall’esterno, e una scheda elettronica 8, dotata di microcontrollore per il controllo dell’attuatore. All’interno del corpo dell’involucro 1, in posizione sostanzialmente longitudinale, à ̈ disposto un micromotore 3, il cui albero motore à ̈ direttamente connesso ad un rotore 4, disposto in prossimità dell’estremità posteriore 1b del corpo dell’involucro 1 e giacente su un piano perpendicolare all’asse X del corpo medesimo, il quale asse costituisce quindi anche l’asse di rotazione del rotore 4.
Sulla superficie laterale del rotore 4, che nella presente forma realizzativa dell’invenzione presenta una forma sostanzialmente poligonale, in posizione equispaziata angolarmente sono ricavate sedi 4a entro cui sono alloggiati altrettanti magneti 5 (ad esempio del tipo NdFeB). In particolare la forma realizzativa illustrata prevede una forma ottagonale del rotore 4 e quattro magneti 5 disposti in rispettive sedi 4a ricavate su facce alterne della superficie laterale del rotore 4.
All’esterno del corpo dell’involucro 1 sono attaccate quattro alette flessibili 6, anch’esse equispaziate angolarmente. In particolare ogni aletta 6 à ̈ attaccata con una sua estremità 6a in prossimità dell’estremità anteriore 1a dell’involucro 1 e si estende lungo il corpo dell’involucro 1 fino alla sua estremità posteriore 1b. L’estremità opposta 6b di ogni aletta à ̈ libera di muoversi e flettersi in direzione radiale rispetto all’asse longitudinale X ed alloggia quattro magneti 7 (ad esempio del tipo NdFeB).
Il movimento di locomozione del dispositivo microrobotico secondo l’invenzione à ̈ generato dall’interazione tra i magneti permanenti 5 disposti sul rotore 4 e i magneti permanenti 7 disposti sulle alette 6, quando il rotore 4 viene posto in rotazione dal micromotore 3. La rotazione del rotore 4 genera un campo magnetico variabile che interagisce con le sezioni magnetizzate delle alette 6 provocando la loro flessione e successivo ritorno elastico e quindi il loro ciclico allontanamento e avvicinamento al corpo 1. La risultante di questi movimenti si risolve in un’azione delle alette sul mezzo liquido in cui il dispositivo à ̈ immerso per generare forze di spinta sul dispositivo stesso.
Il sistema può operare sia in repulsione, quando un polo magnetico della sezione magnetizzata delle alette à ̈ rivolto verso lo stesso polo del magnete sul rotore, sia in attrazione, quando un polo magnetico della sezione magnetizzata delle alette à ̈ rivolto verso il polo opposto del magnete sul rotore. Sono ovviamente possibili anche disposizioni ibride ottenute mescolando le due configurazioni suddette, a seconda del’uso a cui il dispositivo à ̈ destinato.
Le sezioni magnetiche delle alette possono essere realizzate, oltre che alloggiandovi magneti permanenti, come sopra descritto, anche utilizzando micro particelle magnetiche o magnetizzabili disperse nella struttura dell’aletta, generalmente realizzata in materiale polimerico flessibile. Le alette possono comunque essere realizzate in molte forme, dimensioni e materiali, la forma e la geometria delle alette influenzando sia la forza che la superficie di interazione con il liquido.
Il numero di giri del motore modula il movimento delle alette. Una variazione della configurazione e del numero dei magneti genera un movimento di apertura e chiusura diverso, eventualmente di due alette per ogni giro del motore o di tutte contemporaneamente. Il numero delle alette, il numero di magneti sul rotore, il ritorno elastico, la magnetizzazione e i punti fissi delle alette determinano, con la loro variazione, comportamenti differenti del dispositivo.
Una volta fissato il verso di magnetizzazione, se il numero di magneti à ̈ uguale al numero di alette, tutte le alette si flettono simultaneamente. Altrimenti lo spostamento dell’estremità libera delle alette può essere stabilito per eseguire movimenti non sincronizzati.
Oltre che utilizzando magneti permanenti rotanti intorno all’asse longitudinale del corpo dell’involucro 1, un campo magnetico variabile sulle sezioni magnetizzate delle alette può essere realizzato mediante un supporto dei magneti traslante lungo l’asse X con moto alternativo, oppure utilizzando una qualsiasi altra sorgente di campo magnetico variabile, quali microbobine.
La locomozione del dispositivo può essere del tutto autonoma ed essere guidata da stimoli ambientali in grado di determinare una variazione del moto verso la direzione di provenienza dello stimolo, o in verso opposto. A tale scopo, vantaggiosamente, il dispositivo à ̈ dotato di sensori di variabili fisiologiche e/o ambientali e sensori inerziali e di mezzi a timone che, attivati da detti sensori, possono produrre la variazione di direzione richiesta. In particolare, il dispositivo può essere dotato di elementi sensibili a determinati agenti esterni che, una volta rilevatane la presenza, possono essi stessi agire da timone, eventualmente attraverso mezzi attuatori, ad esempio modificando la loro configurazione e creando quindi un’asimmetria strutturale tale da variare la direzione del moto.
Vantaggiosamente la scheda elettronica per il controllo del motore comprende anche mezzi trasmittenti e riceventi per lo scambio dei dati per via telemetrica, in particolare per la trasmissione wireless delle variabili fisiologiche o ambientali rilevate.
Nel caso di utilizzo per applicazioni medicali (ad esempio per ispezione dello stomaco o della vescica), il dispositivo secondo l’invenzione può essere dotato di meccanismi per il rilascio di farmaci o per il prelievo di campioni e di relative camere di raccolta, nonché strumenti per terapie intracorporee. Tali meccanismi possono essere attivati meccanicamente, termicamente, chimicamente o attraverso campi magnetici.
Il dispositivo può essere dotato di mezzi atti a reagire attivamente a stimoli ambientali, determinando variazioni conformazionali (per esempio delle alette o della parte anteriore dell’involucro) oppure generando delle asimmetrie nel moto tali per cui risulti possibile una variazione di direzione rispetto al moto originario.
Il dispositivo secondo l’invenzione risulta a tutti gli effetti scalabile utilizzando motori di piccole dimensioni e sistemi di trasferimento di energia wireless. Interruttori reed magnetici o sensori ad effetto Hall possono essere integrati in una scheda elettronica miniaturizzata per un controllo on/off del dispositivo. Per la realizzazione delle alette e dell’involucro possono essere vantaggiosamente impiegate tecniche di microfabbricazione.
Il principale vantaggio del dispositivo microrobotico secondo la presente invenzione consiste nella semplicità strutturale e nell’estrema scalabilità del meccanismo di attuazione, che consente quindi un’elevatissima miniaturizzazione del modulo di locomozione. Grazie al fatto che i magneti interni non ruotano intorno al proprio asse, ma intorno all’asse del supporto, à ̈ necessario un solo attuatore per trasmettere il moto a tutti i magneti interni contemporaneamente agendo direttamente sul supporto. In questo modo il campo magnetico variabile viene generato senza ricorrere a meccanismi intermedi (riduttori, giunti o elementi elastici interni).
Un altro vantaggio à ̈ quello di utilizzare delle alette attuate magneticamente per generare il moto. La flessione che si ottiene à ̈ generata da una sola serie di magneti interni debitamente orientati. In questo modo à ̈ possibile agire sulla configurazione delle alette, sostituendo il materiale magnetico con materiale ferromagnetico, in modo da lavorare in attrazione anziché in repulsione.
La notevole variabilità del comportamento può essere ottenuta, inoltre, modificando la configurazione del supporto mobile oppure la geometria e le proprietà meccaniche delle alette. In questo modo à ̈ possibile studiare configurazioni di alette per migliorare le caratteristiche idrodinamiche o adattarsi alle caratteristiche fisiche di un determinato fluido (adattabilità a diversi numero di Reynolds).
Il dispositivo microrobotico secondo la presente invenzione consente la locomozione in ambienti inaccessibili o pericolosi, anche in configurazione a sciame di robot. Il robot può essere infatti utilizzato per applicazioni di robotica di sciame: l’interazione con determinati stimoli ambientali può permettere l’individuazione di sorgenti di materiali velenosi o di agenti patogeni e, eventualmente, l’esecuzione di semplici task.
Grazie alla sua estrema semplicità strutturale il dispositivo secondo l’invenzione ha un costo potenzialmente molto ridotto, che dipende essenzialmente dalla tecnologie di fabbricazione utilizzate e che potrà comunque essere ulteriormente ridotto dalla produzione in serie.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo microrobotico miniaturizzato atto alla locomozione autonoma in ambiente liquido, comprendente un involucro (1) con un’estremità anteriore (1a) e un’estremità posteriore (1b) e contenente un’unità di controllo (8) e una sorgente di energia (2), caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre al suo interno mezzi per generare un campo magnetico variabile (4, 5) ed elementi flessibili (6) disposti lungo la superficie esterna di detto involucro e fissati con una loro estremità (6a)a detto involucro in prossimità di detta estremità anteriore, l’estremità opposta di detti elementi flessibili essendo libera e presentando almeno una sezione (6b) magnetizzata o magnetizzabile, interagente con detto campo magnetico variabile per provocare un movimento radiale alternativo di flessione e ritorno elastico di detti elementi flessibili (6) che genera forze di spinta sul liquido circostante atte a produrre la propulsione del dispositivo.
  2. 2. Dispositivo microrobotico secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi per generare un campo magnetico variabile comprendono un rotore (4) girevole attorno all’asse longitudinale (X) di detto involucro parallelo a detti elementi flessibili (6) ed una pluralità di magneti permanenti (5) disposti lungo la superficie laterale di detto rotore, essendo previsti mezzi attuatori (3) del movimento di detto rotore.
  3. 3. Dispositivo microrobotico secondo la rivendicazione 2, in cui detti magneti permanenti (5) sono disposti angolarmente equispaziati su detto rotore (4).
  4. 4. Dispositivo microrobotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi flessibili sono alette (6) disposte affiancate longitudinalmente sulla superficie laterale di detto involucro e aventi un’estremità (6a) fissata all’involucro in prossimità della sua estremità anteriore (1a).
  5. 5. Dispositivo microrobotico secondo la rivendicazione 4, in cui le sezioni magnetizzate di dette alette (6) sono situate in prossimità dell’estremità libera (6b) opposta di dette alette dove sono fissati rispettivi magneti permanenti (7) o sono incorporate micro particelle magnetiche.
  6. 6. Dispositivo microrobotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il numero di magneti permanenti (5) disposti su detto rotore (4) à ̈ uguale al numero di dette alette (6) con estremità libera dotata di rispettive sezioni sensibili al campo magnetico variabile generato da detti magneti permanenti.
  7. 7. Dispositivo microrobotico secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi per generare un campo magnetico variabile comprendono un supporto dei magneti permanenti atto a traslare con moto alternativo lungo l’asse longitudinale di detto involucro.
  8. 8. Dispositivo microrobotico secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi per generare un campo magnetico variabile comprendono microbobine.
  9. 9. Dispositivo microrobotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre mezzi sensori per il rilevamento di parametri fisiologici o ambientali e/o mezzi sensori inerziali.
  10. 10. Dispositivo microrobotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo comprende un microcontrollore e mezzi di ricezione-trasmissione di segnali per via telemetrica.
  11. 11. Dispositivo microrobotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre meccanismi per il rilascio di farmaci e/o il prelievo di campioni e relative camere di raccolta.
  12. 12. Dispositivo microrobotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui à ̈ sono previsti mezzi a timone per variare la direzione del moto in risposta a stimoli ambientali comprendenti detti mezzi sensori.
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