Mecatronica, ca ştiinţă a sistemelor integrate mecanice-electronice- informatice este rezultatul dezvoltării tehnologice a ultimilor decenii şi este cunoscută astăzi ca Stiinţa Maşinilor Inteligente. Practic, toate produsele de high-tech realizateastazi sunt produse mecatronice: automobilele moderne, roboţii industriali, roboţii păşitori, microroboţii utilizaţi în industria militară, nanoroboţii utilizaţi în investigaţii medicale, calculatoare, imprimante, echipamente birotice,echipamente de investicaţii medicale, sisteme de protezare şi organe artificiale, sisteme de înregistrare audio, video, etc.Dezvoltarea fără precedent din ultimile decenii s-a făcut şi ca urmare a extinderii tribologiei în domeniul microsistemelor mecanice iar în prezent se fac eforturi pentru extinderea tribologiei în domeniul nanosistemelor.In multe cazuri, în aceste domenii, cercetătorii sunt ocupaţi mai mult cu aspectele spectaculoase privind tehnologiile de fabricaţie a microsistemelor şi lasă pe planul secund problemele de tribologie, în majoritateacazurilor din lipsă de informaţii în domeniul micro- şi nano- tribologiei.Este de remarcat faptul că, procesele tribologice în micro- şi nano-sisteme sunt, de cele mai multe ori, cu totul diferite faţă de procesele tribologice din macrosisteme. Astfel, în microsisteme, interacţiunile lucrează sub sarcini foarte mici, (de lamiligrame la grame) şi sunt lubrificate, în general, cu straturi moleculare de lubrifiant, în care au loc complicate procese de interfaţă. Ca rezultat, frecarea şi uzarea se manifestă la nivel de scară micro- sau nanometrică şi sunt puternic dependente de interacţiunile de suprafaţă.IMPORTANTA SI RELEVANTA CONTINUTULUI STIINTIFIC AL TEMEIO categorie importanta a microsistemelor o constituie MEMS- urile (Micro Electromechanical Systems) cu o mare aplicabilitate in structurile mecatronice din industria automobilului, instrumentarul medical, informatica, tehnicaaerospatiala, robotica: microsisteme de tip actuatori, micro pompe, micro motoare, micro transmisii cu roti dintate, micro grippere, sisteme de deplasare pentru micro roboti, micro senzori etc.O clasificare a acestor microsisteme făcută de firma SANDIA National Laboratory ( SUA) pune în evidență existența a 4clase de MEMS-uri:

MEMS clasa I : Cu elemente fixe MEMS – clasa a II-a : Cu elemente Mobile dar fără alunecare sau contact

MEMS- clasa a III-a MEMS – clasa a IV-a : Cu elemente mobileCu elemente mobile si cu contacte si cu mişcare relativă între suprafeţe şi cu Intre elemente in care se pot contacte, cu dezvoltarea fenomenelor de dezvolta fenomene de aderenta frecare si aderenta

Multe din aceste microsisteme au dimensiuni cu ordinul de marime de aprox. 10-4 – 10-6 m. Scaderea dimensiunilor elementelor de la milimetri la microni inseamna o reducere a suprafetelor cu un factor de 106 si a maselor cu un factor de109. In acest context, pentru microsistemele din clasa a IV-a, fortele de frecare care sunt direct proportionale cu suprafetele in contact devin cu trei ordine de marime mai mari decat fortele de inertie, care sunt proportionale cu masa. In consecinta,microelementele sunt supuse dominant fortelor de suprafata, frecarea fiind un factor decisiv in functionarea acestor microsisteme.Frecarea se manifestă la nivel de scară micro- sau nanometrică şi este puternic dependenta de interacţiunile de suprafaţă. In microsisteme, prezenta fortelor de adeziune, a fortelor electrostatice si in special a fortelor de capilaritate cauzate de

moleculele de apa ce condenseaza pe suprafete implica cresteri importante ale pierderilor prin frecare in miscarea de alunecare, de multe ori aceste forte de frecare putand bloca functionarea microsistemelor.Realizarea de microsisteme mecatronice (microsenzori, micromotoare, microactuatori, microghidaje, microroboti etc) cunoaste o dinamica fara precedent in momentul de fata, cu perspective de a revolutiona tehnologiile actuale. Proiectarea si realizarea acestor microsisteme nu este posibila astazi fara cunoasterea proceselor de frecare la nivelul micro suprafetelor aflate in miscare relativa, in contextul in care legile clasice ale frecarii la scara macro nu mai sunt valabile la scara micro si nanometrica.Reducerea frecarii in microsisteme are efecte benefice, cel putin pe urmatoarele directii:- consum cat mai mic de energie si implicit utilizarea unor microsurse autonome de energie cu dimensiuni cat mai mici (microbaterii);- evitarea blocajelor la nivelul micro interactiunilor si asigurarea unei fiabilitati ridicate microsistemelor mecatronice;- reducerea fenomenelor de stick – slip (alunecare sacadata) cu cresterea preciziei de lucru a microsistemelor.Cercetarea proceselor de frecare in intimitatea lor, adica la scara micro si nano este o cercetare fundamentala, cu abordari matematice, fizico-chimice, mecanice etc, capabila sa ofere solutii care sa favorizeze progres tehnologic atat in domeniulmicrosistemelor mecatronice cat si in alte domenii ale ingineriei mecanice si mecatronicii.STADIUL ACTUAL AL CUNOASTERII IN ARIA IN CARE SE INCADREAZA TEMAPe plan mondial, cercetarile vizand procesele de frecare la scara micro si nano cunosc o dezvoltare fara precedent, cu abordarea, in esenta, a urmatoarelor directii:1. Studierea modului in care apa ce se afla in atmosfera si care condenseaza pe microsuprafete in straturi de ordinul de marime a catorva randuri de molecule (grosimi de ordinul nanometrilor) influenteaza frecarea dintremicrosuprafete prin efect de capilaritate. In funcţie de natura suprafeţele elementelor în contact , hidrofile – capabile să absoarbă apa din atmosferă sau hidrofobe – cu capacitate redusă de a absorbi apa din atmosferă, straturile de apă depuse variază de la zeci de nanometri grosime până la câteva rânduri de molecule de apă ( un strat de molecule de apă are aprox.0,25 nanometri Masurători făcute de Opiz pe suprafeţele unui microtribosistem de alunecare de tip sferă/plan, confecţionat din siliciu Si(100) au pus în evidenţă influenţa presiunii aerului, a temperaturii si a umidităţii

asupra straturilor de apă depuse din atmosferă pe suprafeţe hidrofile şi hidrofobe. In condiţii de presiune normală atmosferică, pe suprafeţele hidrofile se depun cel puţin 10 rânduri de molecule de apă (ajungând şi la 50 de straturi de molecule sau chiar mai mult) în timp ce pe suprafeţele hidrofobe se depune doar unul sau două straturi de molecule de apă,Prezenţa straturilor de molecule de apă influenţează puternic frecarea la scară micro şi nanometrică rezultand valori ale coeficientului de frecare cu mult peste 1 (μ = 5-10). Valorile mari ale coeficientilor de frecare se explică prin dominanţaefectelor capilare, atunci când pe suprafeţe există depuse mai multe rânduri de molecule de apă.Astfel, la grosimi de câteva straturi de molecule de apă ( peste 0,7 nm) dominante sunt forţele capilare. Pentru grosimi mai mici de 2-3 rânduri de molecule de apă (sub 0,7 nm) frecarea este dominată de efectele de vâscozitate iar pentru presiunisub 10-10 bar, frecarea este practic uscată, de tip solid-solid.Temperatura si umiditatea atmosferica influenteaza puternic frecarea pe microsuprafete ca urmare a efectului decapilaritate dat de apa condensata, La temperaturi de până la 20 – 25 de grade, umiditatea din atmosferă influenţează puternic frecarea în micro si nanotribosisteme atunci când depăşeşte (30-35)%. Se pot observa creşteri de 5-6 ori ale forţelor de frecare . La temperaturimai mari de 400C, creşterea umidităţii aerului influenţează în mică măsură creşterea frecării în micro si nanotribosisteme. La suprafeţele hidrofobe temperatura şi umiditatea influenţează nesemnificativ frecarea în micro şi nanotribosisteme. La straturi groase de apă aderată pe suprafeţe frecarea este mare şi este dictată de efectele capilare. Reducerea straturilor de molecule de apă aderente la suprafeţele în contact are ca efect reducerea forţelor de frecare până lao valoare minimă corespunzătoare unor straturi limită de câte 2 rânduri de molecule pe fiecare suprafaţă.. Reducerea în continuare a straturilor de molecule de apă duce la creşterea frecării şi trecerea în zona frecării uscate.2. Elaborarea de modele complexe privind adeziunea moleculara intre doua micro suprafete. Două elemente aflate în contact direct se atrag reciproc, contactul fiind o stare de energie minimă. Pentru desfacerea contactului este necesară o forţă numită forţă de adeziune. Forţele de adeziune pot fi pe direcţie normală la suprafeţele aflate în contact atunci când suprafeţele se îndepărtează sau pot fi pe direcţie tangenţială atunci când suprafeţele sunt în mişcare de alunecare. La nivelul microsistemelor, adeziunea pe directie tangentiala genereaza fenomenul de stick – slip, fenomen foarte des intalnit in microsisteme. Adeziunea pe directie normala conduce la dezvoltarea unei forte de aderenta care influenteaza frecarea dintre microsuprafete. In ultimii ani s-au elaborat o serie de modele de aderenta, modele bazate pe

contactul de tip bilă pe suprafaţă plană. Astfel, plecand de la modelul elastic a lui Hertz pentru un contact de tip sfera/plan, s-au elaborat modeleletip Johnson–Kendall–Roberts (JKR), Derjaguin–Muller–Toporov (DMT), Maugis–Dugdale (MD), cu ajutorul carora se poate estima forta de adeziune in cazul microcontactelor de tip sfera-plan. In fig. 3-a este prezentat un dispozitiv utilizatde Scherge pentru determinarea fortelor de adeziune la un contact de tip microsfera de siliciu pe placuta de siliciu, iar in fig. 3-b sunt prezentate valorile obtinute, in concordanta cu modelul JKR.

Fig. 3-a,-b

3. Cercetari privind reducerea frecarii prin inlocuirea miscarii de alunecare cu miscarea de rostogolire la nivelul unor microsisteme

Miscarea de alunecare la scara micro se caracterizeaza prin coeficienti mari de frecare ( 1-5 sau chiar mai mult) ca urmare a proceselor de microcapilaritate si de aderenta precum si prin fenomene de stick – slip. Exista cercetari privind inlocuirea miscarii de alunecare cu miscarea de rostogolire la nivelul unor micro motoare liniare. Cercetarile sunt la inceput si exista deja unele micromotoare liniare cu rezemare pe microbile din. In fig. 4-a se prezinta micro sistemul dedeplasare liniara, cu bile de 0,285 mm in diametru construit si testat de Modafe s.a de la Maryland University (SUA).

Fig.4

4. Cercetari privind frecarea si aderenta in microsistemele biologice – sursa de inspiratie pentru microsistemele mecatroniceSistemele microtribologice specifice structurilor biologice sunt sisteme optimizate, de o mare diversitate si pot oferi mportante informatii pentru diversele microsisteme mecatronice. In contextul dezvoltarii actuatorilor din mecatronica,sistemele de frictiune – antifrictiune utilizate de insecte ofera un camp larg de aplicatii in care procesele de frecare si de adeziune sunt dominante. Cercetarile sunt focalizate pe diverse sisteme biologice din care, in contextul temei propuse,prezinta importanta sistemele de frictiune – antifrictiune specifice insectelor pentru fixare si deplasare. Sunt de remarcat in acest sent cercetarile efectuate in ultimii ani de Scherge, Gorb s.a de la Institutul de Fizica al UniversitatiiTehnice din Ilmenau, Germania . Insectele utilizeaza o larga varietate de dispozitive pentru fixarea si desprinderea rapida pe diverse tipuri de suprafete. Sunt de remarcat prezenta a doua tipuri de baza de sisteme de fixare, fig. 5: sistemede fixare cu firisoare de par ( hairy) si sisteme de fixare formate din structura moale de tip burete (smooth).

Fig. 5 Sisteme de fixare de tip “hairy” si de tip “smooth”Aceste sisteme de fixare sunt localizate in diverse zone de pe piciorele insectelor si pot fi combinate asa cum se poate vedea in fig. 6-a. Utilizand tehnica AFM, fig.6-b, Scherge s.a. au determinat valori ale fortelor de frecare la nivelul picioruselor de la Tettigonia Viridissima

Fig. 6 –a, -bCOMENTARII:

Astazi echipamentele mecatronice includ o serie de sisteme microelectromecanice, MEMS-uri, mai mici de 100 micrometri si fabricate cu tehnologiile specifice circuitelor integrate. Intră în această categorie: microsensori, microactuatori, micromotoare, micropompe, microtrenuri cu roţi dinţate, micromanipulatoare etc. Dimensiunile elementelor in miscare relativa la aceste micro sisteme sunt de ordinul de mărime 10-9 - 10-3 m, masele elementelor sunt de ordinul 10-6 – 10-3 grame iar forţele sunt de ordinul a 10-6 – 10-3 N. Procesele tribologice în micro- şi nano-sisteme sunt, de cele mai multe ori, cu totul diferite faţă de procesele tribologice din macrosisteme. Devin foarte importante fortele de interactiune la scara atomica precum: i)Forte de adeziune care pot dezvolta forte de atractie de 200 - 300μN sau mai mult;ii).Forţe capilare. Apa din atmosferă condensează pe suprafeţele elementelor în contact în straturi de grosime de până la zeci de nanometri, iar suprafeţele ajunse în contact sunt atrase de presiunea Laplace cauzată de efectul de capilaritate. iii) Forţe moleculare sau forţele de tip van der Waals se dezvoltă la distanţe dintre suprafeţe mai mici de 10 nm; iv) Forţeelectrostatice sunt rezultatul incarcarii cu sarcini electrice a elementelor in contact si sunt aprox. cu 2 ordine de marime mai mici decat fortele capilare.

• Frecarea se manifestă la nivel de scară micro- sau nanometrică şi este puternic dependenta de interacţiunile de suprafaţă. Prezenta fortelor de adeziune in microtribosisteme si in special a fortelor de capilaritate conduce la cresteri

importante ale pierderilor prin frecare in miscarea de alunecare, de multe ori aceste forte de frecare putand bloca microsistemul.• Coeficientul de frecare in miscarea de alunecare poate ajunge in microsisteme la valori de 5 – 10 sau chiar mai mult. Cercetari experimentale efectuate au permis masurarea coeficientului de frecare de rostogolire la nivelul unormicrosisteme liniare de ghidare cu bile din otel cu diametrul de 0,285 mm, rezultand valori cuprinse intre 0,012 si 0,6.La nivelul MEMS-urilor se incearca inlocuirea miscarii de alunecare cu cea de rostogolire.• Sistemele de frictiune – antifrictiune utilizate de insecte ofera un camp larg de inspiratie pentru microactuatori mecatronici unde fortele de frecarea si de adeziunea sunt dominante.

LOCOMOŢIA ÎN MINI / MICROROBOTICĂPrin analogie cu locomoţia biosistemelor, în funcţie de modalitatea de locomoţie amini si microroboţilor mobili, se disting următoarele posibilităţi de deplasare

Tabelul 1 Modalităţi de locomoţie ale mini / microroboţilor mobili

In figura urmatoare sunt prezentate cậteva exemple reprezentative de mini sau microroboţi mobili, având metode diferite de locomoţie si sisteme de acţionare variate.

Fig. 1 Exemple reprezentative de mini/microroboţi mobili

Din punctul de vedere al elementelor de contact cu mediul de deplasare,mini/microroboţii mobili pot fi clasificaţi în următoarele categorii. În tabelul 2 sunt sistematizate câteva modalităţi de locomoţie utilizate înmicrorobotică în corespondenţă cu sistemele de acţionare ale acestora.

Tabelul 2 Modalităţi de locomoţie şi sisteme de acţionare specifice

Sistemele de acţionare pentru mini/microroboţii mobili trebuie să facă faţăurmătoarelor constrângeri generale: putere mică / eficienţă mare; control simplu; să reziste în medii ostile. În acelaşi timp mini/microroboţii trebuie: să traverseze terenuri cu obstacole mai mari decât propriile dimensiuni; să dispună de mecanisme simple de escaladare; să fie uşor de realizat.

3. CONTRIBUŢII ÎN DOMENIUL MINI / MICROROBOŢILOR MOBILIContributia autorilor in acest domeniu (modelarea, simularea si realizarea mini /microrobotilor mobili) este focalizată pe dezvoltarea de modele experimentale de sisteme cu locomoţie de tip inchworm, având diferite soluţii de acţionare. Caracteristica comună constă în faptul că in structura lor se regăsesc două module, mobile pe direcţie axială una faţă de alta, pentru a realiza un pas al deplasării. Acestea sunt suţinute de picioare inclinate care transforma mişcarea liniară bidirecţională în mişcare unidirecţională.

Astfel, în figura 2 este prezentat un microrobot acţionat prin intermediul unuiactuator electromagnetic liniar. Această soluţie de acţionare este justificată deperformanţele bune ale actuatorului şi de simplitatea sistemului de alimentare.Microrobotul include în structură: un electromagnet alcătuit dintr-o bobină (6) şi o armătură de tip plonjor (8), un arc elicoidal (7), două elemente profilate (1,2), un opritor (3), patru picioare miniaturizate (5, 5’).

Fig. 2 Schema structurală şi fotografia microrobotului cu actuator electromagnetic liniar

Mişcarea în ambele sensuri, generată de către forţele elastică şi electromagnetică estetransformată în mişcare unidirecţională de către picioarele (5, 5’) care se află în contact cusuprafaţa de deplasare, dispuse la baza elementelor (1, 2). Deplasarea microrobotului este posibilă numai pe suprafeţe plane. Microrobotul are dimensiunile [10 x 15 x 10] mm3 şi cântăreşte aproximativ 2 g.

Fig. 3Schema microrobotului cu actuator pneumatic liniar şi fazele efectuării unui pasAcelaşi principiu de deplasare este specific si sistemului mobil din figura 3.Acţionarea este asigurată de un piston pneumatic miniaturizat, cu simplă acţiune, de tip Festo EG-4-20-PK-2, prin aplicarea unor impulsuri de presiune de o anumită durată.Mărimea unui pas este 25 mm, egală cu cursa pistonului.

Fig. 4 Sistem mobil inchworm cu motor pas cu pas

Spre deosebire de primele doua exemple, în cazul sistemului mobil din figura 16,cele doua module cu mişcare relativă nu sunt dispuse pe direcţie axială, unul dupăcelălalt, ci sunt alăturate, paralele cu direcţia de deplasare. Pentru acţionare se utilizează un motor pas cu pas bipolar si o transmisie şurub – piulită. Dimensiunile acestuia sunt 76 mm lungime, 45 mm lăţime, 38 mm înălţime şi are greutatea de 50 g. Elementele din structură sunt motorul pas cu pas 1, şurubul 2, piuliţa 4, ghidajul 5, cele două platforme 3,6, cele şase picioare 7 câte patru pe fiecare platformă. Motorul este comandat prin intermediul unui PC, celor două faze de realizare a unui pas corespunzând sensuri diferite de rotaţie a axului motorului.Pentru fiecare din sistemele mobile dezvoltate au fost realizate si modulele decomandă si au fost efectuate teste care au confirmat funcţionarea în concordanţă cuparametri stabiliţi în faza de proiectare.

CONCLUZII

Locomoţia organismelor vii (nevertebrate şi vertebrate) are la bază mecanismespecifice, interesante din perspectiva unor noi principii de realizare a actuatorilor utilizaţi în mini / microrobotică şi a sistemelor de acţionare specifice sistemelor robotizate mobile cărora li se impun condiţii de miniaturizare. Au fost realizate mai multe prototipuri funcţionale, având acelaşi principiu de deplasare dar sisteme de acţionare diferite. Autorii au în lucru o variantă cu performanţe îmbunătăţite, cu actuatori pe baza de aliaje cu memoria formei. Sistemele mobile dezvoltate pot fi utilizat pentru investigarea spaţiilor de dimensiuni mici, cu suprafeţe plane şi rugoase. Ele sunt utile, de asemenea, în procesul educativ.

Flying Micro-Robot

Denumita robot care arborează microelectromechanical Systems (MEMS), aparatul sfidează forţa de gravitaţie de zbor sau care pluteşte în aer, alimentat de la un câmp magnetic. Utilizarea cea mai aplicabilă pentru acest robot este pentru interventii chirurgicale se poate ridica în aer de mai sus a pacientului şi micro a gestiona chiar mai mici de obiecte. Se poate face ceea ce unele dintre chirurgi cele mai bune din lume nu poate. Pe lângă partea de zbor. Părţile pe care le manipulează în timpul intervenţiei chirurgicale sunt prea mici pentru un om de a interacţiona cu. Inspirati de flagelul euglenei verzi, un grup de cercetatori elvetieni si americani incearca sa construiasca la scara nano un microrobot cu propulsie proprie, o veritabila elice minuscula. Robotelul s-ar putea astfel deplasa prin vasele de sange umane. Cercetatorii au dezvoltat o noua forma de propulsie pentru microroboti, care mimeaza felul in care bacteriile se misca de colo-colo cu ajutorul unui mic "tirbuson" intitulat flagel. Testele au aratat ca micile nanobobine rotitoare, de numai 27 de nanometri in grosime si lungi de 40 de micrometri, sunt capabile sa se invarteasca cu 60 de revolutii pe minut. Efectul este o "mare" propulsie de 5 micrometri pe secunda.O astfel de propulsie ar putea fi folosita ca parte dintr-un sistem complex de administrare a medicamentelor ce pot "vasli" prin sange direct la tinta, spune seful echipei de cercetatori, Bradley Nelson, profesor de robotica si

inteligenta artificiala la Institutul Federal Elvetian de Tehnologie din Zürich, citat de MIT Technology Review. Pe termen lung, aceasta nanoelice ar putea fi folosita pentru a da propulsie unor microroboti biomedicali, sugereaza cercetatorul.Miscarea prin fluide la o scara atat de mica este o mare provocare, in primul rand datorita vascozitatii lichidului, considera Sylvain Martel, profesor de inginerie computerizata la Politehnica din Montréal – Canada. Daca dimensiunea unui obiect este redusa, forta necesara pentru a-l deplasa printr-un fluid nu se reduce in mod proportional, spune profesorul. Pentru o bacterie care incearca sa se miste la scara microscopica acest efect poate fi dramatic. "Este ca si cum ai incerca sa inveti sa inoti in ceva mai vascos decat mierea", spune Nelson. Drept rezultat, bacteriile au evoluat si si-au dezvoltat sofisticatul flagel. "Spermatozoizii doar misca din coada, dar bacteria are un mecanism mult mai complicat", considera Nelson. Un motor molecular care pompeaza protoni de-a lungul membranei celulare cauzeaza o miscare de rotatie filamentelor helicale ale flagelului. Acest sistem natural functioneaza atat de eficient incat unele flageluri se pot invarti cu mai mult de 1.000 de rotatii pe minut. Nanobobinele inventate de Nelson isi genereaza miscarea datorita unui camp magnetic extern care imprima o miscare asemanatoare cu a flagelului. Nanobobina a fost fabricata din arseniu folosind tehnici fotolitografice. Stratul de jos este legat de bobina cu indiu. Atomii de indiu incep sa se miste rotativ, formand niste "carlionti". Sistemul mecanic se aseamana cu acela al tirbusonului.

Cum se face?

Este foarte greu ca astfel de aparate sa fie monitorizate, urmarite si conduse inauntrul a 80.000 de kilometri de vase de sange din corpul uman. Cu ajutorul unor scanere foarte sensibile, acest lucru s-ar putea realiza. Ultrasunetele nu ajuta cu nimic, date fiind dimensiunile infime ale bobinei.

Acesta se mişcă în jur şi manipulează obiecte cu magneţi ataşat la micro-Cleşti, controlate de la distanţă de un fascicul laser, concentrându-se, declaraţia universitate a spus. Mecanismul de controale care câmpul magnetic, prin utilizarea feedback-ul de la senzori de poziţie, în scopul de a poziţiei de micro-robot. Având în vedere că puterea este furnizată în exterior, de micro-robot poate fi manevrat.

MICROROBOTI TIP BACTERIE

Centrul de cercetare de la Universitatea Monash din Australia este scena unei inventii inedite - aceea a unor microroboti tip bacterie. Remarcabilul microrobot este asemanator unei bacterii innotatoare tip E. Coli care isi

foloseste flagelurile pentru a inota in corpuri straine.

Flagelul este o excrescenta lunga pe care bacteriile o misca precum un bici pentru a se deplasa. Aceasta a fost inlocuit la microrobotul nou descoperit printr-o structura compusa din micro tuburi.Scopul lui James Friend (cercetatorul principal) a fost acela de a crea un dispozitiv care sa nu depaseasca mai mult de 250 de microni  - marimea standard a doua fire de par uman - si care sa fie capabil sa inoate in corpul omenesc.Impreuna cu echipa sa acesta a reusit sa constuiasca un motor liniar de marimea unui cristal de sare. Friend considera ca, folosind grantul de 300 de mii de dolari oferit de Consiliul Australian de Cercetare, va putea sa reduca motorul la marimea necesara in doar trei ani de cercetare.Diferenta dintre un motor pentru un microrobot si motorul clasic electromagnetic este faptul ca cel dintai mentionat are o miscare mult mai rapida de rotatie dar forta mai mica de rasucire.  Echipa de cercetare afirma ca ideea robotului inotator i-a venit liderului de cercetare cu mult timp in urma, mai precis in anul 1950. Motorul dezvoltat de acesta foloseste o tehnologie ultrasonica care ofera o mai mare elasticitate la viteze relativ mici.Cercetatorii au operat cu prototipuri de marimi milimetrice, si  au avut o viziune foarte clara asupra analizelor de laborator facute, lucru ce a fost relativ complicat de structurile intortochiate pe care le-au studiat. Iata doar o imagine a prototipului de microrobot.

 

 

Micromotorul dezvoltat de Friend si echipa sa pentru propulsarea sistemului integral ar trebui sa fie mai mic decat un sistem normal de propulsie pentru microroboti.

Daca acesti cercetatori vor avea fondurile necesare, in cel mult trei ani minusculul microrobot va ajuta chirurgii sa evite procedurile dureroase folosite pana acum. Un robot controlat printr-o telecomanda va putea extinde abilitatea doctorulu generalist de a pune un diagnostic si implicit de a trata pacientii intr-un mod cat mai putin evaziv.Am intrat din nou pe site-ul NIAC (Institutul NASA pentru Concepte Avansate), pentru ca stiam ca  pot gasi proiecte cu adevarat interesante. Dintre cele listate acolo mi-a atras atentia un proiect cât se poate de ingenios. Ideea de baza pleaca de la constrângerile impuse de actualii roboti martieni. Ei nu se pot deplasa pe terenuri foarte accidentate, nu se pot strecura prin fisurile din sol, nu

sunt capabili sa exploreze eventualele crevase întâlnite în cale etc. Acestei liste puteti si dumneavoastra sa îi adaugati elemente suplimentare. Sa fim bine întelesi, enuntul nostru nu reprezinta o critica la adresa roverelor martiene, ci doar o suma de indicii asupra limitelor lor functionale, limite ce nu le-au împiedicat sa ne aduca, timp de mai bine de doi ani, informatii extraordinare de pe Marte. O echipa de cercetatori de la Massachusetts Institute of Technology, MIT, condusa de catre Steven Dubowsky, ne propune o noua generatie de roboti, care ar putea completa panoplia mesagerilor terestri trimisi în explorarea corpurilor ceresti din Sistemul Solar. Este vorba despre niste microboti de forma sferica, care au un diametru de numai 10 cm. Pot sa para niste mici jucarii, dar nu este asa. Atunci când înalta tehnologie îsi da mâna cu ingeniozitatea, o sfera putin mai mare decât o minge de tenis devine un explorator de nadejde. Dar sa nu mai lungim noi vorba, si sa trecem la lucruri concrete.

 

Misiuni

Microbotii lui Dubowsky vor putea face multe. În primul rând vor avea acces în zone care nu pot fi atinse de roverele clasice. Ei vor putea sa se strecoare prin crapaturile din scoarta, vor coborî în crevase sau vor putea explora caverne. Vor putea strabate terenuri accidentate si se vor urca pante abrupte. Vor deveni instrumente ideale de explorare nu numai pentru misiuni martiene, ci si pentru cele lunare, pentru explorarea asteroizilor sau a satelitilor planetelor gigant. Informatiile necesare vor fi colectate cu o gama larga de instrumente, de la camere video de mare rezolutie, pâna la spectrometre. Microbotii nu vor actiona solitari, ci întocmai ca niste furnici. În zona care se doreste a fi cercetata vor fi transportati câteva sute sau mii. Acest lucru este posibil, deoarece fiecare microbot va cântari în jur de 100 g.  Imediat dupa debarcare microbotii se vor deplasa în zonele dorite, putând acoperi, timp de 30 de zile, o suprafata de circa 135 km2. Vreti o comparatie? Va oferim una sugestiva. 1.000 de microboti vor avea masa totala de maximum 150 kg, iar suprafata cercetata va fi bine acoperita, adica va putea fi cercetata aproape punct cu punct. Un MER (Mars Exploration Rover) are masa de 174 kg si acopera o suprafata de ordinul a 10 km2, iar suprafata cercetata este slab acoperita. Practic, nu va cerceta nimic altceva decât ceea ce întâlneste în cale, de-a lungul traseului sau.

 Deplasarea

Problema: fie data o sfera cu diametrul de 10 cm. Cum putem face ca aceasta sa se deplaseze în directia dorita? Îi punem roti? Nu. Exista o solutie mult mai simpla. Îi punem un picior si o facem sa sara! Dar cum ar trebui sa fie acest picior? Trebuie sa ne gândim ca suntem constrânsi ca totul sa încapa într-o sfera cu diametrul de 10 cm. Trebuie sa încapa acolo, dar mai trebuie sa lase loc pentru instrumentele de cercetare. Si mai trebuie sa consume foarte putina energie si sa aiba o masa cât mai mica cu putinta. Constrângeri aspre, dar care pot fi abordate cu tehnologiile actuale. Nu se vor folosi motoare electrice sau alte dispozitive clasice. Va fi utilizat un „muschi artificial”. În termeni tehnici se va folosi un servomecanism cu elastomer dielectric. Pe scurt, un asemenea elastomer dielectric se contracta atunci când pe doua suprafete opuse este aplicata o diferenta de potential. Astfel rezulta o forta, care poate comanda mecanismul de actionare a „piciorului” microbotului. În conditiile de pe Marte, microbotul va putea efectua salturi cu lungimea de 1,5 m, dupa care se va rostogoli în voie. În medie, vor putea fi executate 6 salturi pe ora, iar cadenta maxima va atinge 60 de salturi pe ora. Fiecare salt va consuma 1,5 mg din hidrogenul folosit de pila de combustie, cea care va asigura energia electrica necesara pentru functionarea microbotilor timp de 30 zile.

 Comunicatia

Spuneam ca microbotii vor lucra în echipe de sute pâna la mii de exemplare. Daca ei nu s-ar putea coordona, atunci explorarea ar fi un adevarat haos. Totul s-ar face la întâmplare, anarhic. Acesta este motivul pentru care sistemelor de comunicatie li s-au acordat o atentie deosebita. Fiecare dintre microboti va fi capabil sa comunice cu baza, mai bine zis cu vehiculul care i-a transportat pe planeta. Bazei i se vor comunica toate informatiile legate de pozitia fiecaruia dintre microboti, precum si rezultatele masuratorilor efectuate de acestia. Se studiaza, în vederea coordonarii echipei de roboti, diferite modele. Dintre toate, cel mai interesant ni s-a parut a fi cel care imita comportamentul furnicilor. Se vorbeste chiar de niste „feromoni virtuali”, care ar avea avantajul ca nu mai este necesara alocarea unei identitati unice pentru fiecare microbot. Va conta numai locul în care se afla un anume membru al echipei, caruia i se va putea încredinta o misiune specifica. Problemele nu sunt dintre cele simple. Sa nu uitam ca vom avea echipe alcatuite din mii de microboti, care vor trebui sa îndeplineasca misiunile încredintate cu eficienta maxima. Deocamdata se lucreaza la simulari avansate, pentru a fi identificata, dintre toate solutiile posibile, solutia optima. Acum sa patrundem putin în datele concrete ale sistemului de comunicatii. Avem din nou constrângeri. Analiza tehnologiilor actuale de comunicatie, luând în considerare consumul energetic si dimensiunile componentelor, constatam ca varianta optima asigura o raza de actiune de circa 6,5 km. Daca vom lua în

considerare suprafata pe care o vor acoperi microbotii, 135 km2, vedem ca bataia sistemului radio este prea mica, robotii îndepartându-se de baza la mai mult de 10 km. Aici trebuie sa intervina ingeniozitatea, fantezia creatoare a omului de stiinta. Sa nu uitam ca avem de-a face cu sute de microboti care vor fi plasati într-o anumita zona. Este suficient ca ei sa creeze o retea de comunicatii, un soi de internet extraterestru, pentru ca limitarea distantei de comunicare sa nu mai fie o problema de nerezolvat. Am putea vedea lucrurile ca si cum am avea de-a face cu un singur robot urias, ale carui componente sunt conectate nu prin cabluri electrice, ci prin unde radio. Iar faptul ca microbotii sunt interconectati le va permite acestora sa patrunda adânc sub scoarta, ori de câte ori vor gasi vreo pestera. Aici trebuie sa avem în vedere faptul ca semnalul radio de înalta frecventa este puternic atenuat de catre roci. Solutia este ca de-a lungul traseului prin pestera sa se însire un numar de roboti. Calculele arata ca 50 de microboti pot asigura un traseu de comunicatie subteran lung de circa 1 km. Si pentru ca lucrurile sa va fie ceva mai clare, este bine sa stiti ca tehnologia de comunicatie folosita va fi similara cu cea utilizata în prezent de catre telefonia mobila. Nu trebuie inventat nimic nou. Pentru cei ce îndragesc cifrele vom spune ca frecventa de lucru va fi cuprinsa între 0,9 si 1,8 GHz, iar consumul energetic pentru comunicatii este evaluat la 50 mW.

Instrumente de cercetare

În sfera noastra cu diametrul de 10 cm am pus pâna acum un sistem de deplasare si unul de comunicatie. Mai ramâne loc pentru altceva? Adica microbotul nostru va putea efectua cercetari eficiente? Va fi el un soi de jucarie tâmpita, care nu va face nimic altceva decât sa topaie de colo în colo si sa trimita bipuri catre jucariile învecinate? Daca ar fi fost sa fie asa, atunci nu ne-am mai fi obosit sa asternem aceste rânduri pe hârtie. De fapt, miniaturizarea permite echiparea microbotilor cu o sumedenie de echipamente pentru cercetare. Noi nu vom vorbi decât despre echiparea tipica. În primul rând, microbotul va trebui sa vada. Pentru aceasta va avea o camera video panoramica, ce va fi capabila sa vada si în infrarosu. Tehnologiile actuale permit realizarea unor asemenea dispozitive cu un volum de 0,27 cm3 si o masa de 0,3 g. Ideea este ca vom monta doua asemenea videocamere, la o distanta de circa 70 mm una de alta, astfel încât microbotul nostru va putea sa vada stereoscopic. Pentru a vedea detaliile interesante este necesar un microscop. Sa echipam microbotul cu un microscop? Sa îl echipam. Normal, pentru a putea identifica bacterii, am avea nevoie de o rezolutie de ordinul a 300 nanometri. Deocamdata, dispozitivele disponibile nu au decât o rezolutie de ordinul a 10 microni, lucreaza în infrarosu si au drept sursa de lumina un simplu LED.

Pentru analize de mare precizie sunt necesare spectrometre. De exemplu, pot fi folosite spectrometre de masa. Acestea, cu ajutorul unor câmpuri electrice si magnetice pot separa ionii diferitelor elemente, în functie de masa lor. Nu insistam acum asupra principiului de functionare, dar va vom spune ca dispozitivele de laborator sunt extraordinar de precise. În cazul nostru, un spectrometru de masa miniatural ocupa un volum de 0,6 cm3 si poate detecta elemente chimice cu o precizie de ordinul partilor pe milion. Din pacate, utilizarea unui asemenea instrument nu este chiar simpla. Este necesara o pregatire a esantionului, care va fi vaporizat cu ajutorul unei raze laser, dupa care gazele rezultate sunt supuse analizei. Suntem înca în zona în care asteptam rezultatele viitorului. Se pare ca nu peste multi ani vor fi disponibile sisteme complete, apte pentru a echipa microbotii, realizate pe baza de MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems, Micro Sisteme Electro-Mecanice). În cazul analizelor chimice si mineralogice sunt esentiale spectrometrele Mossbauer. Asemenea spectrometre, montate la bordul celor doua rovere martiene, ne-au confirmat apa din trecutul Planetei Rosii. Din pacate ele sunt masive, daca ne raportam la dimensiunile microbotilor. Cântaresc 300 g si consuma 3 W. Aici avem probleme mari, nu se întrevad, pe termen scurt, cai de miniaturizare. Momentan nu exista decât o singura solutie. Se vor realiza microboti specializati, care nu vor transporta, alaturi de un minimum de dispozitive, decât asemenea spectrometre, care, subliniem, sunt vitale pentru o analiza completa a mineralelor din zona de explorare. Alaturi de aceste echipamente de baza vor fi adaugati senzori de presiune, temperatura, accelerometre etc. Tehnologia prezentului a atins niveluri de miniaturizare extrema, iar ele nu vor fi o problema.

 Încheiere

Poate ca acest text a fost un pic cam tehnic. Dar am dorit sa va oferim o imagine asupra a ceea ce ar putea fi principala cale de explorare planetara a viitorului. Imaginati-va armate de microboti debarcate, nu numai pe Marte, ci si pe Venus, sau pe satelitul jupiterian Europa, sau pe satelitul saturnian Titan. Ele ar putea, în urmatoarele decenii, sa ne ajute la completarea imaginii pe care o avem asupra Sistemului Solar. Si astfel, stiind, umanitatea va putea sa îsi lumineze drumul catre viitoarele explorari. O spun adesea. Omul a devenit om datorita curiozitatii sale. Curiozitate care l-a facut, de fiecare data, sa caute acea lumina cu ajutorul care sa înlature întunericul nestiintei. Microbotii despre care v-am vorbit mai devreme vor deveni, nu peste multa vreme, acele torte cu care vom lumina tainele Sistemului Solar. Gânditi-va un pic. Este vorba de niste sfere cu diametrul de numai 10 cm...