Insetti Cyborg, azionati da celle solari organiche ultrasoft

I recenti progressi raggiunti nel campo dell’elettronica hanno avuto importanti ricadute sull’integrazione tra macchine e organismi. In particolare, il riferimento è ai Cyborg, più precisamente gli insetti cyborg, sempre più proposti per operazioni come ricerca e soccorso in ambiente urbano. A tale scopo, dispositivi di raccolta dell’energia montati sul loro corpo sono fondamentali per ampliare la gamma di attività e funzionalità necessarie.

Per raggiungere l’obiettivo, un gruppo di scienziati asiatici guidati dall’Istituto giapponese Riken, ha messo a punto un cyborg metà scarafaggio e metà robot. Con la praticolarità di essere alimentato a energia solare e comandato a distanza senza fili.

Il motivo delle celle solari per alimentare gli insetti cyborg

I nuovi componenti tecnologici, capaci di integrarsi con gli organismi, hanno aumentato la richiesta di dispositivi di alimentazione con potenza più elevata. I limiti di volume e di peso delle batterie per i robot comandati a distanza possono essere superati utilizzando strategie di ricarica.

In alternativa, un dispositivo di raccolta energetica montato sul robot può estendere il suo raggio di attività. Ne sono un esempio promettente le celle a biocombustibile che generano energia dal corpo dell’insetto stesso. Ad oggi, il più alto valore di potenza in uscita raggiunto con celle a biocomubustibile enzimatico è 333 µW.

Ma questo valore non è abbastanza per funzioni avanzate, come il controllo della locomozione wireless, che richiede valori di diversi milliwatt o più. Una cella solare può generare una potenza di 10 mW su cm² in condizione di luce solare all’aperto; il valore più alto grazie a questa tecnologia in condizioni esterne.

Raggiungere questi risultati comporta comunque l’adozione di strategie di progettazione e integrazione di celle solari su larga scala. Perchè gli insetti devono mantenere le loro abilità comportamentali di base mentre ricevono la potenza necessaria ad operare. Grazie ad un modulo composto da una cella solare ultrasoft, i ricercatori hanno creato insetti cyborg senza impedimenti nelle abilità di movimento.

La combinazione di pellicole elettroniche ultrasottili con una struttura di interconnessione adesiva e non adesiva sull’addome dell’insetto, ha permesso all’insetto di auto raddrizzarsi. Tutto con un tasso di successo superiore all’80% nei vari tentativi svolti e con una potenza in uscita di 17.2 mW fornita dalla cella solare.

Struttura e movimento dell’insetto cyborg

Gli scienziati hanno usato la blatta sibilante del Madagascar per questo studio, montando i componenti elettronici sulla parte dorsale dell’insetto. Grazie ad uno zaino, appositamente stampato in 3D in modo da adeguarsi alle curve del torace, batteria e circuiti hanno trovato posto sull’insetto. Alla parte addominale invece, è toccata la cella organica solare spessa 4 µm.

Per comandare l’insetto cyborg, gli studiosi hanno connesso il modulo di controllo movimenti senza fili sul torace ai cerci (figura 1b). Queste ultime sono appendici pari sui segmenti posteriori dell’addome. Una volta applicato uno stimolo elettrico ad una specifica appendice, l’insetto gira nella giusta direzione. Ѐ un server esterno che invia i segnali per il controllo del movimento tramite tecnologia wireless Bluetooth.

Il movimento degli Insetti Cyborg con la pellicola ultrasottile

L’osservazione in sezione dell’addome ha rivelato che ogni segmento dello stesso si sovrappone parzialmente durante la sua deformazione. Il tratto di ogni segmento è fino a 2.5 mm. Come soluzione, i ricercatori hanno utilizzato la tecnologia combinata di pellicole polimeriche ultrasottili e una struttura di interconnessione adesiva e non adesiva. Il tutto permettendo la flessione dell’addome (fig 2a).

La pellicola presenta una struttura cava che aderisce selettivamente solo alla parte che non si sovrappone. Questa struttura di interconnessione adesiva-non adesiva lascia spazio alla pellicola per piegarsi verso l’alto quando il segmento d’addome si muove (figura 2a).

L’efficacia della strategia di fissaggio della pellicola sottile è stata quantificata in due modi. Nel primo, misurando il tempo necessario per attraversare un ostacolo, con ottimi risultati una volta applicata la pellicola di 3 µm. Nel secondo, gli strumenti hanno misurato il tasso di successo di “auto-aggiustamento” da una posizione capovolta (a terra) dell’insetto (figura 2e,f). In questo esperimento, pellicole sottili con vario spessore e modulo di elasticità hanno dato risultati diversi. Ma su tutte, i risultati hanno confermato come ottimale la combinazione di pellicole sufficientemente sottile con la struttura di interconnessione. (100% di successo con la cella solare di 4 µm ).

Possibili sviluppi futuri

Il gruppo di ricercatori, guidato da Kenjiro Fukuda ha come prossimo obiettivo quello di integrare sensori e telecamere. C’è anche la volontà quindi di estendere l’uso dei Cyborg in applicazioni di monitoraggio e soccorso anche di altri insetti. Come da lui affermato infatti:

(…)poiché la deformazione addominale non è esclusiva degli scarafaggi, la nostra strategia può essere adattata anche ad altri insetti come i coleotteri e forse perfino a insetti volanti come le cicale.

Kenjiro Fukuda