Gli ingegneri hanno sviluppato un nuovo dispositivo morbido e flessibile che fa muovere i robot espandendosi e contraendosi, proprio come un muscolo umano.

Per dimostrare il loro nuovo dispositivo, chiamato attuatore, i ricercatori lo hanno utilizzato per creare un robot morbido cilindrico, simile a un verme, e un bicipite artificiale. Negli esperimenti, il robot cilindrico ha percorso le curve a forcina di uno stretto ambiente simile a un tubo e il bicipite è stato in grado di sollevare un peso di 500 grammi 5.000 volte di seguito senza fallire.

Poiché i ricercatori hanno stampato in 3D il corpo dell’attuatore morbido utilizzando una gomma comune, i robot risultanti costano circa 3 dollari in materiali, escluso il piccolo motore che guida il cambiamento di forma dell’attuatore. Ciò contrasta nettamente con i tipici attuatori rigidi e rigidi utilizzati nella robotica, che spesso costano da centinaia a migliaia di dollari.

Il nuovo attuatore potrebbe essere utilizzato per sviluppare robot economici, morbidi e flessibili, che siano più sicuri e più pratici per le applicazioni del mondo reale, hanno affermato i ricercatori

«I robotisti sono motivati da un obiettivo di lunga data: rendere i robot più sicuri», ha affermato il dottor Ryan Truby (1) della Northwestern, che ha guidato lo studio, pubblicato su Advanced Intelligent Systems (2). «Se un robot morbido colpisse una persona, non gli farebbe male tanto quanto essere colpiti da un robot rigido e duro. Il nostro attuatore potrebbe essere utilizzato in robot più pratici per ambienti incentrati sull’uomo. E, poiché sono poco costosi, potremmo potenzialmente usarne di più in modi che, storicamente, sono stati troppo proibitivi».

Truby è il professore junior di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria meccanica di June e Donald Brewer presso la McCormick School of Engineering (3), dove dirige il Robotic Matter Lab (4). Taekyoung Kim, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Truby e primo autore dell’articolo, ha guidato la ricerca. Pranav Kaarthik, un dottorato di ricerca. Anche il candidato in ingegneria meccanica ha contribuito al lavoro (5).

Robot che “si comportano e si muovono come organismi viventi”

Sebbene gli attuatori rigidi siano stati per lungo tempo la pietra angolare della progettazione dei robot, la loro flessibilità, adattabilità e sicurezza limitate hanno spinto gli esperti di robotica a esplorare gli attuatori morbidi come alternativa. Per progettare attuatori morbidi, Truby e il suo team hanno cercato di realizzare materiali che si muovano come i muscoli umani, che si contraggono e si irrigidiscono contemporaneamente.

«Se riusciamo a farlo, allora possiamo creare robot che si comportino e si muovano come organismi viventi», ha detto Ryan Truby.

Per sviluppare il nuovo attuatore, il team ha stampato in 3D strutture cilindriche chiamate “handed shearing auxetics” (HSA). Gli HSA incorporano una struttura complessa che consente movimenti e proprietà unici, ad esempio l’estensione e l’espansione quando vengono ruotati. Quando in passato Truby e Kaarthik stampavano in 3D strutture simili per i robot, erano costretti a utilizzare stampanti costose e resine plastiche rigide.

Questa volta, Kim ha stampato gli HSA dal poliuretano termoplastico, una gomma comune ed economica spesso utilizzata nelle custodie dei cellulari. Ciò ha reso gli HSA molto più morbidi e flessibili e ha permesso ai ricercatori di fabbricarli con una stampante 3D desktop facilmente disponibile.

Semplificare l’intera tubatura

Le versioni precedenti degli attuatori morbidi HSA utilizzavano servomotori comuni per torcere i materiali negli stati estesi ed espansi. Ma i ricercatori hanno ottenuto un azionamento efficace solo dopo aver assemblato insieme due o quattro HSA, ciascuno con il proprio motore. La costruzione di attuatori morbidi in questo modo presentava sfide operative e di fabbricazione. Ha inoltre ridotto la morbidezza degli attuatori HSA.

Per costruire un attuatore morbido migliorato, i ricercatori miravano a progettare un singolo HSA azionato da un servomotore. La soluzione di Kim è stata quella di aggiungere un soffietto di gomma alla struttura che funzionasse come un albero rotante e deformabile. Quando il motore forniva coppia, un’azione che fa ruotare un oggetto, l’attuatore si estendeva. La semplice rotazione del motore in una direzione o nell’altra fa sì che l’attuatore si estenda o si contragga come un muscolo.

«Taekyoung ha notevolmente semplificato l’intera pipeline con la stampa 3D», ha affermato Truby. «Ora disponiamo di un pratico attuatore morbido che qualsiasi esperto di robotica può utilizzare e realizzare».

Il soffietto ha aggiunto un supporto sufficiente affinché Kim potesse costruire un robot morbido e strisciante partendo da un singolo attuatore che si muoveva da solo. I movimenti di spinta e trazione dell’attuatore spingevano il robot in avanti attraverso un ambiente tortuoso e vincolato che simulava un tubo.

«Il nostro robot può eseguire questo movimento di estensione utilizzando un’unica struttura», ha affermato Kim. «Ciò rende il nostro attuatore più utile perché può essere integrato universalmente in tutti i tipi di sistemi robotici».

Il pezzo mancante: l’irrigidimento muscolare

Il robot simile a un verme risultante era compatto (misurava solo 26 centimetri di lunghezza) e strisciava, sia avanti che indietro, a una velocità di poco più di 32 centimetri al minuto. Truby ha notato che sia il robot che il bicipite artificiale diventano più rigidi quando l’attuatore è completamente esteso, un’altra proprietà che i precedenti robot morbidi non erano in grado di raggiungere.

«Come un muscolo, questi attuatori morbidi in realtà si irrigidiscono», ha detto Truby. «Se hai mai tolto il coperchio da un barattolo, ad esempio, sai che i tuoi muscoli si stringono e diventano più rigidi per trasmettere la forza. È così che i tuoi muscoli aiutano il tuo corpo a lavorare. Questa è stata una caratteristica trascurata nella robotica morbida. Molti attuatori morbidi diventano più morbidi durante l’uso, ma i nostri attuatori flessibili diventano più rigidi durante il funzionamento».

Truby e Kim affermano che il loro nuovo attuatore rappresenta un ulteriore passo avanti verso robot più ispirati alla biotecnologia.

«I robot che possono muoversi come organismi viventi ci consentiranno di pensare a robot che eseguono compiti che i robot convenzionali non possono svolgere», ha concluso Truby.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Creating artificial ‘muscles’ for safer, softer robots