L’ingegneria meccatronica è una disciplina ibrida che consiste in aspetti meccanici, elettronici e di controllo. È la disciplina utilizzata per progettare e produrre dispositivi in grado di rispondere ai loro ambienti in tempo reale. Il feedback fornito dai sensori elettrici è gestito da un computer centrale che emette i comandi per intraprendere azioni. Questi comandi governano la risposta del dispositivo, che a sua volta lo lascia in una nuova situazione. L’ingegneria meccatronica è utile per progettare molti sistemi che non si basano interamente sul funzionamento umano.
Il primo aspetto dell’ingegneria meccatronica è l’aspetto meccanico. L’ingegneria meccanica si occupa della progettazione di strutture fisiche in una macchina. Alla base dell’ingegneria meccanica c’è la scienza della meccanica, che è una branca della fisica che si occupa di forze su larga scala e della materia in movimento. Un altro campo che contribuisce è la scienza dei materiali, che può fornire agli ingegneri una suite di materiali da utilizzare nella progettazione dei prodotti. In un’auto, l’aspetto meccanico comprenderebbe la carrozzeria, il telaio e il motore, per esempio.
Un altro componente necessario dell’ingegneria meccatronica è l’aspetto elettronico. L’ingegneria elettronica si occupa della progettazione di dispositivi pratici che utilizzano il movimento di particelle caricate elettricamente per funzionare. Questo flusso di elettricità può essere utilizzato per trasportare sia energia che informazioni. L’energia elettrica può essere utilizzata per alimentare un dispositivo meccatronico attraverso un motore elettrico. Le informazioni prodotte dai sensori possono essere gestite da un sistema di controllo centrale.
L’elemento finale richiesto nell’ingegneria meccatronica è una qualche forma di controllo. La teoria del controllo si occupa di mantenere uno stato ottimale in un sistema dinamico. Funziona ottenendo feedback sul suo stato attuale in un ambiente, prendendo una decisione e quindi emettendo comandi per eseguire alcune azioni. Quando un oggetto è più lontano dal suo stato ottimale, può rispondere con più forza per raggiungere quello stato. In un dispositivo meccatronico, il controllo è tipicamente gestito da un microprocessore, un singolo circuito integrato con una capacità di elaborazione centrale.
I dispositivi meccatronici sono diffusi in molte società. Un’automobile, ad esempio, combina sistemi meccanici con sistemi elettrici e un computer centrale. Molti sensori elettrici rilevano informazioni sullo stato dell’auto, come la velocità, il livello del carburante e la temperatura del motore. Questi segnali vengono trasportati da percorsi elettrici al computer dell’auto, che prende decisioni su come rispondere. Se il carburante è troppo basso o il motore è troppo caldo, il computer può inviare un comando per visualizzare un messaggio di avviso per l’operatore.
In un’auto, il compito di prendere decisioni è condiviso da un computer e da un operatore. Molti dispositivi meccatronici, d’altra parte, non sono gestiti in tempo reale da esseri umani. I veicoli spaziali spesso devono utilizzare i computer di bordo per prendere decisioni in tempo reale perché c’è un ritardo di comunicazione tra il veicolo spaziale e la Terra. I Mars Exploration Rover hanno avuto un ritardo di comunicazione di diversi minuti e, quindi, hanno utilizzato un computer centrale per prendere molte decisioni rapide sulla navigazione. Senza questa capacità, i rover potrebbero essere caduti da una sporgenza o essere rimasti bloccati da un oggetto nel momento in cui gli operatori sulla Terra hanno notato le minacce.