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Animali robotici e dove trovarli

4 anni fa

10 minuti

Westworld è al galoppo verso i nostri schermi con la sua seconda stagione. Per chi non la conoscesse, la serie HBO è ambientata in un futuro non troppo lontano, dove facoltosi turisti possono intrattenersi in parchi diverimento a tema (Far-West in Westworld, Giappone feudale in Shogunworld ad esempio) completamente popolati da avanzatissimi robot. Scopriamo in questo articolo una carrellata dei più avanzati robot biomimetici e le loro peculiarità.

Vi avevo già parlato nel mio primo articolo della mia esperienza di studio alla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, dove sono iscritto alla laurea magistrale in Bionics Engineering e mi premeva raccontarvi brevemente come ho passato gli ultimi tre mesi; bastano due parole: sui libri – la sessione di esami è stata lunga tra scritti e orali! Il nuovo semestre è iniziato da un mesetto e vede corsi come Processing dei segnali statistici, Materiali soft e smart, Sistemi intelligenti, Neuroscienze computazionali (questi ultimi due molto orientati su reti neurali) e Valutazione economica delle tecnologie mediche e robotiche nella sanità.

Chiudo questa introduzione ricordandovi che se siete curiosi riguardo al mio corso di studi potete tranquillamente scrivermi su Facebook o Instagram o dove preferite! Sarò felice di rispondere a tutte le vostre curiosità

 

 

 

Lo zoo robotico

Ma veniamo al dunque: Westworld ci ha mostrato robot umanoidi e animali avanzatissimi, certamente lontani dal mondo attuale della robotica. Quanto lontani? Quella di oggi sarà una carrellata attraverso terra, acqua e aria, alla scoperta dei più avanzati animali-robot.

 

 

 

Terra

Partiamo dalla famosissima Boston Dynamics, i cui video incantano (e spaventano) sempre mezzo mondo quando vengono rilasciati. Boston Dynamics è una delle aziende leader nel campo della robotica e dell’ingegneria, famosa soprattutto per lo sviluppo di robot – sotto finanziamento della DARPA (l’agenzia governativa statunitense per i progetti di ricerca avanzata di difesa) come BigDog (con funzioni cargo, come un mulo da trasporto), e i più recenti umanoidi Atlas Handle, e i più piccoli quadrupedi Spot SpotMini – questi ultimi molto simili a cani.

 

 

 

SpotMini, in particolare, con i suoi soli 30Kg di peso, i 90 minuti di autonomia e cinque gradi libertà del braccio aggiuntivo, potrebbe essere molto comodoe aiuto casalingo.

Boston Dynamics SpotMini

 

I gechi sono in grado di aderire a superfici lisce e ruvide senza l’utilizzo di una “colla”.

Passiamo ora a parlare di Stickybot, un robot-geco sviluppato dall’università di Stanford. Lo sviluppo di Stickybot è passato obbligatoriamente dallo studio della biologia e delle modalità di adesione dei gechi sulle superfici.

I gechi sono in grado di aderire a superfici lisce e ruvide senza l’utilizzo di una “colla” o di materiale liquido: si parla infatti di dry adhesion. L’adesione del geco è governata principalmente da interazioni elettrostatiche (come dimostrato da Izadi, Stewart e Penlidis nel 2014) e in parte minore dalle forze di van der Waals.

 

Le Forze di van der Waals sono interazioni molecolari, sia attrattive che repulsive, molto più deboli dei legami atomici in quanto dipendono dalle fluttuazioni nella distribuzione delle cariche nelle molecole. Sono inoltre anisotropiche, cioè dipendono dall’orientamento relativo tra le molecole.

 

Attraverso la struttura gerarchica delle proprie zampe, i gechi mettono in contatto con la superficie circa 2 miliardi di terminazioni nanometriche.

 

Ogni dito di ogni zampa è infatti coperto da qualche decina di lamelle setose, a loro volta composte da migliaia di fibrille micrometriche che si dividono ulteriormente; al termine di ogni seta sono presenti delle “spatole” triangolari di qualche nanometro di dimensione.

Questa struttura gerarchica permette sia la creazione di una forza adesiva sufficientemente forte che il suo controllo, cambiando la sola orientazione delle spatole.

I ricercatori dell’università di Stanford hanno dunque riprodotto artificialmente questa complessa struttura, dando a Stickybot la possibilità di scalare superfici anche molto lisce.

 

 

 

 

Torniamo a parlare di un’azienda adesso con la tedesca FESTO, che ricorrerà spesso in questo articolo. FESTO è una multinazionale dell’automazione che grazie alla sua ricerca nella Bionica, è diventata molto famosa con i suoi animali robotici.

 

FESTO BionicANTS

 

Tra gli animali di terra possiamo annoverare BionicANTS e BionicKangaroo. Le prime sono delle vere e proprie formiche robot, con l’interessante caratteristica di essere state concepite sulla base di un modello comportamentale cooperativo in grado di riprodurre fedelmente la loro controparte naturale: le formiche comunicano tra di loro e coordinano le loro azioni e movimenti per raggiungere l’obiettivo comune.

 

 

 

Inoltre, la dimensione tutto sommato contenuta (sono grandi quanto una mano umana), le rende dei prodigi di integrazione tra componenti meccanici ed elettronici.

Le BionicANTs sono un ottimo esempio di Industria 4.0 proprio per il loro comportamento collaborativo: è infatti sempre più richiesta una connessione, una integrazione tra i vari macchinari a livello produttivo.

 

 

 

FESTO BionicKangaroo

 

Lo scopo di BionicKangaroo era invece quello di implementare artificialmente la modalità di locomozione naturale dei canguri: permettendo un recupero dell’energia durante il salto, da riutilizzare per quello successivo.

 

 

Ciò è stato permesso combinando attuatori pneumatici ed elettrici con una tecnologia di controllo estremamente precisa e materiali ultraleggeri.

BionicKangaroo è controllato da gestures.

 

Schema di salto di BionicKangaroo.

 

 

 

 

Robot Anfibi

Il primo robot serpente fu creato dal Professore Emerito Shigeo Hirose del Tokyo Institute of Technology nel 1972.

Oggi, con la sua HiBot e i suoi robot ispirati a serpenti, capaci di strisciare e nuotare, Hirose è coinvolto in alcune operazioni di pulizia ed esplorazione del reattore No.1 della centrale nucleare di Fukushima, colpita da un violento tsunami nel 2011.

 

HiBot

 

Proprio in vista di possibili applicazioni in seguito a disastri naturali, il team di Hirose decise di rendere il concept adatto anche ad applicazioni acquatiche.

Ed ecco il risultato:

 

 

Auke Ijspeert pubblicò nel 2007 un articolo su Science  in cui per primo propose di utilizzare robot per validare ipotesi scientifiche.

Un caso diverso è invece quello di Auke Ijspeert, che nel 2007 pubblicò su Science un fondamentale articolo in cui per primo propose l’idea di utilizzare robot per validare ipotesi scientifiche. In particolare, concentrandosi sulla transizione (evolutivamente chiave) da locomozione acquatica e terrestre, Ijspeert presentò un modello spinale implementato in un robot salamandra che dimostra come i primitivi circuiti neurali del nuoto possano essere filogeneticamente estesi fino ai centri oscillatori degli arti, per spiegare l’abilità delle salamandre nel passaggio da nuoto a camminata.

Dopo Salamandra Robotica, il modello più avanzato si chiama Pleurobot, ed è lo stesso Ijspeert a presentarlo in un TED del dicembre 2015.

 

 

 

 

Acqua

Scendendo sott’acqua, rimaniamo sempre collegati a salamandre e serpenti: in questo caso parliamo di Lampetra, progetto portato avanti dall’Istituto di Biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna dal 2008 al 2011.

Come per Salamandra RoboticaPleurobot, anche Lampetra è un robot sviluppato per studi neuroscientifici: in particolare, il suo scopo era approfondire la locomozione decisa da obiettivi, attraverso un modello fisico biomimetico, raccogliente informazioni da studi di neuroscienze.

 

lampetra

 

Scendendo maggiormente nel dettaglio, Lampetra è composta da un gran numero di segmenti e da un corpo morbido, attuatori simili a muscoli e sensori per l’allungamento del corpo, l’equilibrio e la vista.

Le simulazioni numeriche derivanti dagli studi neuroscientifici sono stati fondamentali per formulare un modello di Central Pattern Generator da implementare poi in un software per replicare il movimento del corpo.

 

Central Pattern Generator sono delle reti di neuroni che scaricano ritmicamente nel midollo spinale, in assenza di input ritmico, e sono fondamentali per il controllo neurale di pattern motori ritmici come camminare, nuotare, respirare, etc…

 

 

Torniamo a parlare di FESTO che nel corso degli anni ha proposto diversi robot acquatici, tra cui AquaJelly, AquaPenguin Aqua_ray. 

Le prime, ispirate a delle meduse, sono in grado di fluttuare dolcemente in acqua anche se la loro caratteristica principale è quella di essere un sistema collettivo coordinato tramite comunicazione integrata e diagnostica real-time.

 

 

AquaPenguin invece è in grado di nuotare autonomamente in modo molto efficiente grazie alla sua forma idrodinamica e manovrabile: inoltre, tramite un sonar 3D simile a quello di numerosi mammiferi marini, è in grado di evitare collisioni con ostacoli o altri AquaPenguin.

Aqua_ray, per terminare, non si limita a imitare le mante nella forma, ma lo fa anche nel modo in cui nuota, estremamente naturale e simile al modello biologico.

 

 

 

 

Aria

Spostiamoci nei cieli adesso e iniziamo a farlo parlando di Robird: non è propriamente un robot, manca infatti di autonomia, quindi ricade più propriamente nella categoria dei droni.

Lo scopo di Robird è quello di controllare e tenere a distanza uccelli potenzialmente pericolosi.

Tuttavia Robird, uno dei prodotti di punta della Clear Flight Solution, è una delle più avanzate repliche robotiche di uccello: è disponibile in due versioni, Falco Pellegrino o Aquila Reale, ed entrambe sono repliche artificiali estremamente simili alle loro controparti naturali, sia in termini di dimensioni e aspetto, che di capacità di volo e velocità.

 

Robird – Clear Flight Solution

 

Lo scopo di Robird è quello di controllare e tenere a distanza uccelli (che si sentiranno minacciati dalle repliche robotiche dei loro predatori) potenzialmente pericolosi per il traffico aereo o per coltivazioni.

 

 

Torniamo a parlare ancora del Bionic Learning Network di FESTO che, ispirato dalle libellule, ha sviluppato un robot che riproduce fedelmente, e per la prima volta, i complessi meccanismi di volo di questi insetti. 

BionicOpter è un robot volante ultraleggero in grado di volare in qualsiasi direzione, rimanere sospeso in aria e planare senza sbattere le ali, attraverso tredici gradi di libertà, controllando dunque frequenza, ampiezza e inclinazione delle ali.

 

BionicOpter

 

Sempre FESTO ha affrontato nuovamente il caso di comportamenti collettivi introducendo il limite di un peso leggerissimo nel caso delle sue eMotion Butterflies: in soli 32 grammi e un’apertura alare di 50 centimetri, le farfalle robotiche riproducono fedelmente il volo di quelle reali, oltre a volare tra loro coordinate grazie ad un sistema di GPS in interno e delle videocamere a infrarosso montate nella stanza, che tracciano senza problemi la flotta di farfalle costruita da FESTO.

 

 

Inoltre vale la pena segnalare, oltre ai due robot più specifici come eMotion Butterflies e BionicOpter, che FESTO ha realizzato anche delle versioni d’aria dei tre robot sopracitati ispirati alle mante, ai pinguini e alle meduse: senza troppa fantasia questi ultimi si chiamano rispettivamente Air_ray, AirPenguin e AirJelly.

 

festo air

 

 

 

 

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