Nuove tecnologie d’avanguardia che promettono di avere un impatto significativo in ambito ambientale e biomedico. Ad illustrarle è il prof. Mario Urso del Dipartimento di Fisica e Astronomia
Una nuova e promettente linea di ricerca sui micro e nanorobot è stata introdotta di recente al Dipartimento di Fisica e Astronomia “Ettore Majorana” dell’Università di Catania grazie al prof. Mario Urso.
Dopo aver completato gli studi e il dottorato in Scienza dei Materiali e Nanotecnologie al Dfa e aver lavorato per diversi anni al Ceitec di Brno in Repubblica Ceca sotto la guida di Martin Pumera (leggi l'intervista), il prof. Urso ha riportato a Catania tecnologie d’avanguardia che promettono di avere un impatto significativo in ambito ambientale e biomedico.
Cosa sono i micro e nanorobot?
I micro e nanorobot sono dispositivi straordinari scaturiti dall’intersezione tra la nanotecnologia e la biologia, combinando le proprietà uniche dei materiali su scala ridotta con la capacità di movimento autonomo tipica dei sistemi biologici. Mentre i microrobot misurano tra 1 e 100 micrometri, circa le dimensioni di una cellula, i nanorobot sono ancora più piccoli, con dimensioni inferiori a 1000 nanometri, simili a quelle dei virus. Questi robot vengono realizzati tramite tecniche di fabbricazione avanzate, fra cui processi di sintesi chimica e deposizione tramite meccanismi fisici, che consentono di creare strutture asimmetriche.
L’asimmetria è fondamentale perché permette ai robot di muoversi, proprio come accade in molti sistemi naturali. In particolare, il movimento dei micro- e nanorobot può essere alimentato da diverse fonti. I robot a combustibile, ad esempio, sfruttano reazioni chimiche tra un catalizzatore presente sulla loro superficie (come il platino o enzimi) e una sostanza circostante, come il perossido di idrogeno (H2O2) o biomolecole (per esempio l’urea, che è abbondante nelle urine e che reagisce con l’enzima urease), per generare la spinta necessaria al movimento. I robot alimentati da campi esterni, invece, si muovono raccogliendo energia da campi magnetici, elettrici o acustici che vengono applicati dall’esterno.
Un'ulteriore categoria di grande interesse sono i robot alimentati dalla luce, che sfruttano l'energia luminosa, idealmente luce solare, per attivare reazioni fotocatalitiche, ad esempio con l'acqua o il perossido di idrogeno, creando gradienti di concentrazione di prodotti che li spingono a muoversi. Di solito, l’autopropulsione di questi robot si verifica in modo casuale, senza una direzione preferenziale. Tuttavia, ispirandosi al comportamento tattico dei sistemi naturali, i robot possono superare questa limitazione rispondendo a stimoli ambientali come fanno alcuni microorganismi.
Un esempio è la chemotassi, che consente ai batteri di muoversi verso le sostanze nutrienti, o la fototassi, che permette alle alghe verdi di orientarsi verso la luce. Alcuni robot hanno dimostrato di poter imitare questi comportamenti naturali, orientando il loro movimento verso una maggiore concentrazione di combustibile o verso una fonte luminosa. Oltre a muoversi, i robot possono essere programmati per svolgere svariati compiti, per esempio rivelare una determinata sostanza, fungendo da sensori, purificare acque contaminate, or rilasciare farmaci in modo mirato.
Un ulteriore livello di intelligenza è rappresentato dallo sciame robotico, ovvero la capacità di più robot di operare collettivamente, eseguendo compiti con maggiore efficienza rispetto al singolo. Questa cooperazione permette loro di adattarsi a esigenze specifiche a seconda della necessità e garantisce il completamento della loro missione, sicchè il gruppo può sopperire al fallimento del singolo robot.
Meccanismi di moto dei micro e nano robot
Innovazione a Catania: microrobot per la depurazione delle acque
Il team del prof. Mario Urso ha già raggiunto risultati straordinari. Uno degli studi più avanzati ha coinvolto l'uso di microrobot fotocatalitici a base di TiO2 derivato dal MXene, un materiale 2D. Questi robot sono in grado di sfruttare l’energia della luce per muoversi in modo autonomo e, allo stesso tempo, degradare inquinanti plastici e polimerici presenti nell’acqua.
In particolare, l’azione combinata del movimento autonomo e della fotocatalisi consente ai microrobot di accelerare la cattura e decomposizione delle micro e nanoplastiche e dei polimeri, un problema ambientale emergente che interessa tutto il pianeta. Questa tecnologia rappresenta una soluzione innovativa per la purificazione delle acque, che potrebbe trovare applicazione in molte aree, dalle riserve idriche naturali agli impianti di trattamento delle acque reflue.
Prospettive future: robot intelligenti per applicazioni mediche
La ricerca sui micro e nanorobot non si limita all’ambito ambientale. Il gruppo del Prof. Urso sta esplorando nuove frontiere nel campo biomedico, concentrandosi sulla comunicazione tra i robot. Grazie a nanotecnologie avanzate, i robot potranno comunicare autonomamente scambiando segnali magnetici, ottici e chimici, così da coordinare la loro azione eseguendo compiti complessi senza interventi dall’esterno. Un’applicazione particolarmente promettente riguarda la somministrazione mirata di farmaci.
Per esempio, si potrebbe realizzare uno sciame robot che funga da sentinella, ovvero capace di navigare all'interno del corpo umano e di riconoscere selettivamente le cellule tumorali, emettendo un segnale che attiri un secondo sciame di robot specializzato nel rilascio di farmaci direttamente su di esse, riducendo al minimo gli effetti collaterali.
Questa tecnologia potrebbe rivoluzionare il modo in cui trattiamo malattie come il cancro, rendendo le terapie più efficaci e meno invasive. Inoltre, la capacità di adattarsi a diversi stimoli e condizioni ambientali rende i micro- e nanorobot strumenti versatili per molte altre applicazioni biomediche, dalla diagnostica avanzata al monitoraggio continuo di parametri fisiologici all'interno del corpo.
Il lavoro del prof. Mario Urso all'Università di Catania rappresenta un importante passo avanti nella ricerca sui micro e nanorobot. Grazie alle sue competenze acquisite a livello internazionale, e alle collaborazioni scientifiche instaurate, Catania si posiziona come un centro di eccellenza per lo sviluppo di tecnologie all'avanguardia, con applicazioni potenziali orientate verso le sfide globali che l'umanità affronta oggi, dall'inquinamento ambientale alle medicina, dove i micro- e nanorobot potrebbero davvero rappresentare una soluzione rivoluzionaria.
Immagini in time-lapse delle traiettorie di microrobot basati su Au-TiO2 e Ag-TiO2 accendendo e spegnendo la luce a intervalli di 10 s, ottenute al microscopio ottico. Le barre di scala corrispondono a 5 µm