Le proboscidi degli elefanti superano i compromessi tra forza e flessibilità della robotica tradizionale
Le proboscidi degli elefanti sono forti ma sensibili: la loro pelle spessa e rugosa è resistente e consente un notevole senso del tatto. Ciò consente agli elefanti di percepire consistenze, forze e forme mentre manipolano gli oggetti. Il movimento flessibile e la percezione tattile lavorano insieme per creare attività prensili versatili senza richiedere giunti rigidi. Traducendo questi principi naturali in robotica morbida, il progetto PROBOSCIS(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, si è prefissato di rivoluzionare il modo in cui i robot maneggiano gli oggetti, creando sistemi ispirati alla destrezza, all’adattabilità e alla resilienza della natura.
Come la meccanica della proboscide aiuta la progettazione robotica
Nella riserva Adventures with Animals in Sudafrica, i ricercatori hanno lavorato a stretto contatto con elefanti addestrati per studiare come le loro proboscidi gestiscono oggetti di diverse forme e pesi. Il team dell’Università di Ginevra ha utilizzato la motion capture(si apre in una nuova finestra) per tracciare i movimenti precisi delle proboscidi. In Italia, presso lo ZooSafari di Fasano, ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia e della Scuola Superiore Sant’Anna hanno misurato le forze di presa(si apre in una nuova finestra) utilizzando oggetti progettati su misura e hanno studiato il comportamento di allungamento e presa della proboscide. La ricerca è stata condotta in collaborazione con i custodi degli elefanti per garantire il benessere degli animali. Per comprendere meglio la struttura e la complessa anatomia della proboscide, i ricercatori hanno eseguito analisi tissutali e immagini ad alta risoluzione sulle proboscidi di elefanti deceduti naturalmente allo zoo di Zurigo. Ispirandosi a queste scoperte, il team dello IIT ha sviluppato muscoli artificiali, attuatori flessibili e pelle tattile per un braccio robotico. I materiali funzionali sono stati progettati dall’Università Ebraica di Gerusalemme(si apre in una nuova finestra) per stampare componenti simili alla schiuma su piccola scala, mentre la PMI partner Photocentric ha avanzato le tecniche di stampa 3D per produrre componenti morbidi per il robot su larga scala.
Maggiore flessibilità con meno componenti
«Alla fine abbiamo sviluppato un braccio robotico leggero e morbido, lungo quasi un metro, che può piegarsi, torcersi e curvarsi per afferrare gli oggetti avvolgendoli. Questo risultato è stato ottenuto con pochi attuatori, imitando la capacità dell’elefante di eseguire movimenti complessi con strategie semplici», osserva Lucia Beccai, coordinatrice del progetto. A differenza dei bracci continui all’avanguardia, che spesso presentano problemi quali discontinuità meccaniche o la sfida di bilanciare il peso con la rigidità strutturale (soprattutto su scale più grandi), questo progetto supera tali problemi. Queste sfide probabilmente spiegano perché i grandi bracci continui non hanno ancora preso piede nelle applicazioni industriali.
Cosa rende la proboscide dell’elefante un modello ideale per la robotica
Il team di Ginevra ha mappato la complessa distribuzione dei muscoli nella proboscide degli elefanti, svelando come questi ultimi controllano questa complessa struttura. »Gli elefanti semplificano questa complessità irrigidendo parti della proboscide per guidare il movimento. Sembra che nella parte distale della proboscide la forza esercitata su un oggetto sia finemente regolata», spiega la ricercatrice. La pelle della proboscide è composta da strati distinti che forniscono resistenza, elasticità e protezione, pur rimanendo molto sensibile. Queste caratteristiche spiegano come la proboscide bilanci forza e delicatezza, rendendola un modello perfetto per la robotica. Lo studio ha inoltre dimostrato che gli elefanti utilizzano schemi di movimento coerenti e ripetitivi e feedback tattili per interagire in modo efficiente con l’ambiente. Ciò ha ispirato strategie di controllo che aiutano i robot a percepire e gestire gli oggetti in modo più intuitivo e adattivo.
La robotica morbida rivoluziona diversi settori
Le innovazioni di PROBOSCIS promettono pinze universali avanzate per diversi settori, tra cui la produzione, l’assistenza sanitaria e le operazioni di soccorso. «Nel settore manifatturiero, i manipolatori morbidi e adattivi potrebbero in futuro manipolare vari oggetti, compresi quelli deformabili, mentre nella lavorazione degli alimenti potrebbero selezionare e valutare delicatamente frutta e verdura senza causare danni», descrive l’esperta. «Nel settore sanitario, potrebbero assistere gli anziani o i disabili in compiti come il sollevamento o la consegna di oggetti. In definitiva, nelle missioni di soccorso, questi robot potrebbero rimuovere le macerie, individuare le vittime e operare in condizioni difficili come il fumo o l’oscurità, dove i sistemi tradizionali falliscono».
