Microrobotica si nanorobotica - mari provocari ale prezentului si viitorului (I)
Data: 1 – 15 februarie 2023
Microrobotica și nanorobotica sunt două direcții de dezvoltare a societății foarte importante pentru prezent și viitor. Aplicațiile acestora vor fi generalizate la majoritatea produselor care se vor fabrica în perioadele următoare, care vor acoperi domeniile atât ale ingineriei robotice aplicate, cât și ale roboticii medicale aplicate.
1. Precizări generale
Microrobotica s-a dezvoltat pe baza perfecționării tehnologiei microsistemelor. Un microsistem complet este format din: micromotor, microsenzori și unitatea de procesare a informației.
Microroboții sunt microsisteme complexe care folosesc diferite tipuri de micromotoare și microsenzori, fiind dotați cu algoritmi pentru procesarea semnalelor inteligente și a informației.
Criteriile de proiectare și etapele construirii microroboților și macroroboților sunt asemănătoare, având în vedere particularitățile impuse de spațiul micro și de diferența de mărime.
La fel ca la un macromecanism, la un microrobot mai întâi trebuie produse componentele funcționale cu dimensiunile și structurile interne dorite și apoi acestea urmează să fie montate și reglate precis.
Pentru a fi folositori, microroboții trebuie să poată manevra piese de dimensiuni foarte mici și să se poată deplasa pe distanțe mari cu viteze adecvate, să fie rezistenți și capabili să opereze într-un mediu riscant perioade lungi de timp fără întreținere.
2. Aplicații principale
Principalele aplicații ale microroboticii, în parte materializate, se prefigurează în: metrologie, ingineria fabricației, obiecte casnice, microasamblare, ingineria automatizării, tehnologia mediului înconjurător, medicină și bioinginerie.
Astfel, în industrie, respectiv, producție și metrologie, prezintă un interes deosebit sistemele de testare foarte sensibile cu microdimensiuni (pentru testarea microcipurilor). Totodată, câștigă teren roboții inteligenți, pentru întreținere și control, care trebuie să ajungă în zone inaccesibile (sisteme de conducte, schimbătoare de căldură, motoarele turboreactoare ale avioanelor etc.) sau în medii de lucru periculoase (pentru detectarea eventualelor scurgeri de fluide, a părților defecte și pentru a efectua reparații). Microasamblarea prezintă interes din perspectiva producției în masă a microsistemelor. Diferitele componente (făcute din materiale diferite și prin diferite microtehnici) trebuie exact asamblate într-un pas sau mai multi pași pentru a se obține microsistemul respectiv. Dacă este necesară o combinare a componentelor convenționale cu microcomponente este nevoie de o reglare foarte precisă și o flexibilitate mare a sistemului de asamblare. Asamblarea microsistemelor, care implică transportarea non-distructivă, manipularea precisă și poziționarea exactă a microcomponentelor, este una dintre cele mai importante aplicații ale microroboților.
Biotehnologia presupune microstructuri care să permită micromanipulări (sortarea și combinarea celulelor), măsurarea profilelor în țesuturi sau injectarea de substanțe străine într-o celulă cu ajutorul unui microscop. Un exemplu interesant este găsirea anumitor celule într-un țesut și transportul lor la locul de testare. O altă aplicație poate consta în plasarea într-o zonă restrânsă a unui țesut a unei microsonde echipate cu senzori biologici. În cercetarea genetică și tehnologia mediului înconjurător este necesară manipularea non-distructivă a unor celule, pentru a indica prezența unor substanțe periculoase. O clasificare a sarcinilor principale ale microroboților medicali poate fi observată în Fig. 1.0.
Fig. 1.0. Principalele aplicații ale microroboților medicali
3. Clasificarea microroboților
Microroboții se clasifică: după mărime, după structură, după funcționalitate și după sarcina specifică.
După mărime există miniroboți, microroboți și nanoroboți.
Miniroboții au dimensiuni de câțiva centimetri cubi și sunt realizați din componente convenționale miniaturiziate, pot genera forțe comparabile cu cele exercitate de operatorul uman în timpul manipulărilor fine, pot fi controlați de la distanță, au un anumit grad de inteligență (pentru a fi capabili să lucreze singuri), au o sursa proprie de energie.
Microroboții au dimensiuni de câțiva micrometri cubi, sunt structurați pe un cip și sunt formați dintr-un micromotor, un microsenzor și o unitate de procesare a informației. Un astfel de robot se poate realiza pe baza unor microtehnologii (cum este microprelucrarea de suprafață și în volum), trebuie să fie programabil și capabil să reacționeze la evenimente neprevăzute (poate fi controlat de la distanță). O dificultate majoră la acești roboți este proiectarea „cleștilor" lor.
Nanoroboții nu pot fi realizați pe principiile mecanicii clasice. Pentru aceștia servesc ca modele unele organisme biologice, inclusiv pentru realizarea nanosistemelor de acționare electrochimică.
După structură există mai multe variante de microroboți în funcție de combinațiile posibile între componentele principale (CU - unitatea de control, PS - sursa de putere, AP - micromotoarele de poziționare, AO - micromotoarele de operare-execuție) .
Se face observația că separarea sursei de putere și a controlului de unitatea de manipulare simplifică construcția microsistemului. Microroboții controlați prin cablu sau prin telecomandă au micromotoare integrate, fiind conectați la elementele de control și sursa de energie prin mijloace electrice, hidraulice sau pneumatice.
După funcționalitate microroboții se diferențiază în funcție de: mobilitate (da/nu), autonomie (sursă de energie încorporată/neîncorporată) și tipul de control (cu cablu/fără cablu). Microroboții pot avea mijloace proprii de deplasare sau se pot deplasa prin mijloace externe (de exemplu, deplasarea de către curentul de sânge dintr-un vas sanguin), caz în care sunt mult mai greu de controlat. Funcționalitatea este puternic afectată de sursele de energie performante încorporate, care până în prezent nu sunt disponibile la nivelul cerințelor. Informația pentru controlul microrobotului se poate transmite, în absența cablului, prin interfețe acustice, optice, electromagnetice sau termice.
După sarcina specifică clasificarea se face în funcție de raportul C, dintre dimensiunile fizice și domeniul de operare al microrobotului. La C>>1 corespund microroboții care au mărimea de ordinul decimetrilor și pot îndeplini sarcini foarte precise (de ordinul micrometrilor sau nanometrilor), la C=1, corespund microroboții industriali miniaturizați, iar la C<<1 corespund microroboții de mărime microscopică (utilizați pentru transport, control sau asamblare). Un microrobot universal flexibil ar trebui să corespundă caracteristicilor claselor extreme pentru a putea manipula foarte precis obiecte microscopice cu elementele efectoare și, totodată, pentru a se putea deplasa pe distanțe relativ mari.
4. Soluții de acționare
Poate cea mai importantă și, totodată, cea mai dificilă problemă a microroboților este găsirea celei mai bune soluții de acționare. Importanța acționării, cât și existența mai multor soluții de acționare rezultă din conceptul microrobotului multi-agent propus pentru controlul și intreținerea interiorului obiectelor inaccesibile sau periculoase. Microrobotul este format din patru subsisteme: o microcapsulă, o navetă bază, un modul de operare și un modul de inspecție fără cablu. Naveta bază răspunde de transportul modulelor, le furnizează energie și transferă datele între module și unitatea exterioară de control. Microcapsula, având sursa proprie de energie, are misiunea de a cerceta zonele inaccesibile, vulnerabile sau probabil deteriorate, după care raportează defectele (către unitatea de control exterioară). Modulul de control va analiza, de asemenea, zonele cu defecte și va transmite datele la aceeași unitate de control. În cazul constatării unor defecte, modulul de operare, conectat de naveta bază printr-un cablu de comunicare și putere, va efectua reparațiile necesare. Acest model a fost descris și pentru că poate fi folosit ca atare sau în forme derivate în aplicațiile medicale pentru diagnoza sau/și terapie. Pentru acționarea microroboților s-au propus mai multe soluții, cum ar fi: acționare cu micromotor cibernetic liniar silențios, acționare cu micromașină târâtoare, acționare pe bază de peri, acționarea cu magneți distribuiți, acționarea piezoelectrică în mediu fluid etc.
5. Principiile micromanipulării
Micromanipularea este importantă atât pentru microasamblare (pentru producerea de microsisteme), cât și pentru efectuarea anumitor microoperații cu caracter medical.
Se precizează că în prezent se au în vedere trei metode de micromanipulare: total manuală (folosind ciocănele și pensete foarte fine sub microscop), telecomandată (parțial automatizată) care prezintă greutăți în realizarea interfeței cu operatorul uman și folosirea stațiilor computerizate automatizate, multifuncționale, dotate cu microroboți flexibili. În general, la o micromanipulare se întâlnesc următoarele secvențe: apucare și asamblare, prindere și transport, poziționare, decuplare, ajustare, fixare la locul potrivit, zgâriere și măsurarea forței și pași de procesare ca: tăiere, decapare, săpare, strângere, absorbție sau pulverizare, lipire, îndepărtarea impurităților etc.
Efectuarea acestor operații necesită microunelte precum: microcuțite, microace (pentru fixarea microbiectelor), diuze de microdozare pentru lipire, dispozitive microlaser pentru lipire, sudură și tăiere, clești, micropensete etc. Trebuie precizat că relativ la forțele de interacțiune între microobiecte și microunelte, greutatea este neglijabilă, pe când forțele electrostatice și forțele Van-der-Waals sunt importante. De asemenea, se menționează că o problemă importantă și, totodată, dificilă este transmiterea informației din spațiul micro în spațiul macro (tehnologia din prezent permite cu greu și numai în anumite situații obținerea informației din spațiul micro). De obicei, se foloseste un microscop optic cu lumină stereo, utilizare limitată de distanță dintre obiectiv și masa sondei (10 - 20 mm) și lungimea de undă a luminii vizibile (până la 400 nm). O soluție poate fi ca stația de micromanipulare să fie amplasată în camera vidată a unui microscop electronic cu baleiere. În contextul celor de mai sus, se mai precizează: productivitatea unui sistem de micromanipulare este redusă în cazul operării manuale; creșterea productivității se poate obține prin teleoperare și, în etapa următoare, prin automatizare; operația trebuie să fie perceptibilă pentru operator și acesta trebuie să primească corect informația de procesare; pe lângă informația vizuală, este necesară informația acustică și sesizarea forței pentru a evita distrugerea microobiectelor (pentru aceasta, microuneltele, respectiv cleștii, trebuie să aibă senzori adecvați). Cele mai multe dintre principiile micromanipulării prezentate în acest paragraf cu adaptările necesare sunt valabile și pentru aplicațiile medicale.
6. Exemple de microroboți
În această categorie intră atât sistemele de micromanipulare, cât și microroboții propriu-ziși (mini, micro și nanoroboți). Componentele principale ale unui sistem de micromanipulare sunt: operatorul uman, modulul de operare (pârghia 3D), monitorul, difuzoarele stereo, rețeaua de calculatoare și unitatea de comunicare, unitatea de control și acționare, convertorul de semnal forță-sunet, elementele de poziționare grosieră, elementele de poziționare precisă, masa probei, microscopul optic stereo, camera video CCD, senzorii de forță multiaxiali și efectorul final. Informațiile de la camera video CCD și, implicit, de la microscop sunt afișate pe monitor. Semnalele senzorilor de forță sunt transformate în semnale acustice corespunzătoare. Operarea se face cu ajutorul unui joystick. O astfel de structură poate avea, în zona de poziționare fină, o rezoluție de 600 µm pe axele „x" și „y" și de 800 µm pe axa „z". Sistemul se poate folosi inclusiv pentru microchirurgie, caz în care efectorul final este un instrument chirurgical. Această structură sau structuri derivate au fost realizate în mai multe forme constructive și sunt în continuă perfecționare.
Fig. 1.1. Minirobot M.I.T.
Din categoria miniroboților propriu-ziși se dă exemplul din Fig. 1.1, realizat la M.I.T. (SUA), care are senzori de lumină și poate identifica umbre unde să se ascundă. Energia este furnizată prin cablu. La dimensiuni și mai mici, astfel de roboți ar putea fi trimiși pentru inspecții în corpul uman.
O altă variantă de minirobot (realizată de „Sandia National Laboratories") este dotată cu șenile, un microprocesor de 8k, senzori de temperatură și două micromotoare electrice, urmând a fi dotat cu o microcameră video și un senzor chimic. Energia este asigurată de două microbaterii de ceas (Fig.1.2).
Fig. 1.2. Minirobotul „Sandia National Laboratories"
Microroboții se pot obține din miniroboți prin micșorarea dimensiunilor, dar și adaptări specifice. O categorie aparte sunt nanoroboții, care nu mai sunt supuși legilor mecanice clasice, ci legilor interacțiunii multimoleculare sau moleculare. Nanoroboții, ca roboți inteligenți, sunt, evident, chiar mai mici decât grosimea unui fir de păr. Unii oameni se tratează deja cu ajutorul nanoboților. Aceste mașinării minuscule intră în organism și vindecă țesuturile. În ciuda faptului că sunt așa mici, nanoroboții sunt capabili să fie monitorizați și să trimită informații către un centru de comandă. Ideea de a construi nanoboți datează încă din 1959, când marele fizician Richard Feynman o propune într-un discurs. Termenul de nanotehnologie apare în 1974, mulțumită lui Norio Taniguchi, profesor la Universitatea din Tokyo. Domeniul a prins curaj, însă, abia în anii 1980, iar în prezent se află în plină ascensiune. Un nanorobot generic este format din componentele evidențiate în Fig. 1.3: 1) dispozitiv de lucru, 2) braț manipulator telescopic, 3) nanomanipulator, 4) manipulator specializat, 5) nonosenzor biomolecular, 6) senzor acustic, 7) senzor de proximitate, 8) antenă, 9) conector, 10) element de conectare, 11) zonă de conectare, 12) senzori.
Fig. 1.3. Componentele unui nanorobot
În același context, se mai adaugă că cercetătorii de la Universitatea din Cornell au construit un motor biomolecular, folosind o proteină luată de la bacteria Escherichia coli. Nanoroboții, mai mici de 5 ori decât o globulă roșie (Fig. 1.4), vor fi introduși în organism, vindecând bolile încă din fazele incipiente. Carbonul ar putea fi elementul principal din care se vor construi nanoroboții, iar pentru diversele componente se vor folosi hidrogenul, oxigenul, azotul și siliciul. În interiorul lui, nanorobotul va avea un mini-computer care va putea realiza peste 1000 de operații matematice pe secundă. Comunicarea cu acești roboți minusculi din interior spre exterior și invers se face cu ajutorul semnalelor acustice.
Fig. 1.4. Manipularea globulelor roșii cu nanoroboți
Nanotehnologia se poate aplica în mai multe domenii, cum ar fi:
Farmacologia - în care nanorobotul are rolul de a transporta substanțele medicamentoase în diferite zone ale corpului;
Stomatologia - în care nanoroboții prezenți, de exemplu, în cavitatea bucală distrug bacteriile și tartrul;
Dermatologia - în care nanoroboții îndepărtează celulele moarte, refac țesutul cutanat și curață pielea;
Imunologia - în care nanoroboții identifică și distrug virușii și bacteriile;
Oncologia - în care nanoroboții oferă date exacte despre tumoră și o distrug încă din faze incipiente.
Referitor la nanotehnologie, se mai menționează că oamenii de știință din Institutul de Tehnologie din California au observat că, după ce nanoparticulele antitumorale identifică celulele canceroase, pătrund în interiorul acestora. Apoi se dezintegrează și eliberează cantități de ARN. În prima fază a studiului din cadrul Institutului de Tehnologie din California, doctorii și cercetătorii au administrat pacienților cu diverse tipuri de tumori cantități mici de nanoparticule antitumorale. Pacienții au urmat tratamentul de patru ori pe zi prin cale intravenoasă, timp de 21 de zile. O ședință de administrare a nanoparticolelor durează 30 de minute. După un timp de la tratament, doctorii au observat că mostrele prelevate de la pacienți au un rezultat încurajator. Nanoparticulele au reușit să identifice tumorile canceroase și au reușit cu succes să se infiltreze în ele (Fig.1.5). Cercetătorii au trecut apoi la următoarea fază a proiectului, mai precis la cea care presupune vindecarea totală a pacientului.
Fig. 1.5. Nanoparticule-nanoroboți interacționând cu structuri canceroase
6.1. Microroboți medicali de investigare, transport și de intervenție
Acești microroboți medicali sunt poate cele mai complexe microstructuri robotice cu care, însă, se speră obținerea unor rezultate chiar spectaculoase, într-un viitor nu foarte îndepărtat. Structura unui microrobot medical este formată dintr-un modul energetic, dintr-un modul de deplasare, dintr-un modul de lucru, respectiv, de intervenție și dintr-un modul electronic de control și comandă.
Modulul energetic asigură energia necesară funcționării (de regulă, energie electrică furnizată de microbaterii).
Modulul de deplasare asigură deplasarea microrobotului, care poate fi pasivă sau activă. Deplasarea pasivă se realizează prin antrenarea microrobotului de diverse substanțe gazoase, lichide sau semisolide care circulă în organism. Deplasarea activă poate fi indirectă, când este realizată de la distanță (prin cablu sau un câmp de forțe - câmp magnetic), sau directă, când se obține printr-un mijloc de propulsie propriu.
Modulul de lucru poate fi de investigare (când este dotat cu o cameră video), de transport (când este un rezervor ce conține o anumită doză de substanță medicamentoasă), sau poate fi de intervenție (când este dotat cu microinstrumente, inclusiv microprehensoare cu care se poate interveni asupra țesuturilor). Acest modul poate fi simplu (poate indeplini o singură activitate) sau complex (poate îndeplini mai multe activități).
Modulul de control și comandă asigură: controlul funcționării microrobotului folosind microsenzori specifici, legătura cu unitatea centrală exterioară și comanda funcționării în urma procesării informației sau semnalelor primite de la unitatea centrală exterioară.
Particularitățile constructive ale acestor module sunt similare cu ale modulelor corespunzătoare din componența microsistemelor.
Funcțional, microroboții medicali pot îndeplini activități de investigare, de transport sau de intervenție asupra țesuturilor. Există microroboți care pot realiza un singur tip de acțiune și microroboți care pot îndeplini mai multe activități (în varianta cea mai complexă: investigare, transport și intervenție).
(Va urma)
Prof. univ. dr. ing. Eur Ing Ionel Starețu,
Membru corespondent al ASTR,
Președinte Sucursala AGIR Brașov,
Președinte Filiala SRR Brașov