Vermi, molle e robot morbidi: creature minuscole ispirano grandi balzi

I ricercatori del Georgia Tech hanno recentemente presentato un impressionante risultato: un robot morbido lungo 5 pollici che può catapultarsi a 10 piedi d’altezza – l’altezza di un canestro da basket – senza gambe. Il design è stato ispirato dal nematode, un verme rotondo più sottile di un capello umano che può saltare molte volte la sua lunghezza.

Stringendo il suo corpo in curve strette, il verme accumula energia elastica e poi la rilascia improvvisamente, scagliandosi in alto o all’indietro come un ginnasta acrobatico. Gli ingegneri hanno mimato questo movimento. Il loro robot “SoftJM” è essenzialmente una barra di silicone flessibile con una spina dorsale rigida in fibra di carbonio. A seconda di come si piega, può saltare in avanti o all’indietro – anche se non ha ruote o gambe.

In azione, il robot ispirato al nematode si avvolge come una persona accovacciata, poi si distende esplosivamente per saltare. Una fotocamera ad alta velocità mostra come il verme curvi la testa verso l’alto e si pieghi a metà del corpo per saltare all’indietro, poi si distenda e si pieghi alla coda per saltare in avanti.

Il team del Georgia Tech ha scoperto che queste curve strette – normalmente un problema nelle tubazioni o nei cavi – consentono in realtà al verme e al robot di accumulare molta più energia. Come ha notato un ricercatore, le canne o le tubazioni piegate sono inutili, ma un verme piegato agisce come una molla carica. In laboratorio, il robot morbido ha riprodotto questo trucco: “stringe” la parte centrale o la coda, si tende e poi si rilascia in una scarica (di circa un decimo di millisecondo) per librarsi in aria.

Robot morbidi in ascesa

La robotica morbida è un campo giovane ma in rapida crescita che spesso prende spunto dalla natura. A differenza delle macchine rigide in metallo, i robot morbidi sono fatti di materiali flessibili che possono essere compressi, stirati e adattarsi all’ambiente circostante. I primi risultati nel campo includono l’Octobot di Harvard – un robot autonomo fatto interamente di silicone e canali di fluido, senza parti rigide, ispirato ai muscoli dell’octopus. Da allora, gli ingegneri hanno costruito una serie di macchine morbide: dai robot simili a vermi ai grippers gelatinosi, dalle “exo-tute” indossabili ai robot a forma di vite che rotolano.

Ad esempio, i ricercatori di Yale hanno creato un robot morbido ispirato alla tartaruga, le cui gambe si trasformano da pinne molli a “gambe di terra” rigide a seconda di是否 stanno nuotando o camminando. Alla UCSB, gli scienziati hanno costruito un robot a forma di vite che cresce verso la luce utilizzando solo “pelle” sensibile alla luce – si estende letteralmente attraverso spazi stretti come un fusto di pianta. Queste e altre innovazioni bio-ispirate mostrano come i materiali morbidi possano creare nuovi modi di movimento.

Nel complesso, i sostenitori affermano che i robot morbidi possono andare in posti in cui i robot tradizionali non possono. La Fondazione Nazionale della Scienza degli Stati Uniti nota che le macchine morbide adattive “esplorano spazi precedentemente inaccessibili ai robot tradizionali” – anche all’interno del corpo umano. Alcuni robot morbidi hanno “pelli” programmabili che cambiano rigidità o colore per mimetizzarsi o afferrare oggetti. Gli ingegneri stanno anche esplorando tecniche di origami/kirigami, polimeri a memoria di forma e altri trucchi in modo che questi robot possano riconfigurarsi in volo.

Ingegneria del movimento flessibile

Far muovere un robot morbido come un animale presenta grandi sfide. Senza arti rigidi o motori, i progettisti devono affidarsi alle proprietà dei materiali e alla geometria ingegnosa. Ad esempio, il robot saltatore del Georgia Tech ha dovuto includere una spina dorsale in fibra di carbonio all’interno del suo corpo di gomma per rendere l’azione della molla abbastanza potente. L’integrazione di sensori e sistemi di controllo è anche difficile. Come notano gli ingegneri della Penn State, gli elettronici tradizionali sono rigidi e congelerebbero un robot morbido sul posto.

Per rendere il loro piccolo robot da soccorso “intelligente”, hanno dovuto distribuire circuiti flessibili con cura su tutto il corpo in modo che potesse ancora piegarsi. Anche trovare fonti di energia è più difficile: alcuni robot morbidi utilizzano campi magnetici esterni o aria compressa perché trasportare una batteria pesante li appesantirebbe.

I robot morbidi ispirati al nematode del Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Un altro ostacolo è sfruttare la fisica giusta. Il team del robot ispirato al nematode ha scoperto che le curve strette aiutano. In un tubo di gomma normale, una curva stretta ferma rapidamente il flusso; ma in un verme morbido si costruisce lentamente una pressione interna, consentendo molta più flessione prima del rilascio. Sperimentando con simulazioni e anche modelli di palloni pieni d’acqua, i ricercatori hanno dimostrato che il loro corpo flessibile poteva trattenere molta energia elastica quando si piegava, poi rilasciarla in un solo balzo veloce. Il risultato è notevole: da fermo il robot può saltare 10 piedi in alto, ripetutamente, semplicemente flettendo la sua spina dorsale. Questi progressi – trovare modi per accumulare e rilasciare energia in materiali di gomma – sono tipici dell’ingegneria della robotica morbida.

Saltatori e aiutanti nel mondo reale

A cosa servono tutti questi robot morbidi? In teoria, possono affrontare situazioni troppo pericolose o scomode per i robot tradizionali. Ad esempio, in zone disastrose, i robot morbidi possono strisciare sotto le macerie o dentro edifici crollati per trovare sopravvissuti. La Penn State ha mostrato un prototipo di robot da soccorso morbido controllato magneticamente che poteva navigare attraverso detriti stretti o addirittura muoversi attraverso canali delle dimensioni di vasi sanguigni.

In medicina, i robot morbidi microscopici potrebbero consegnare farmaci direttamente all’interno del corpo. In uno studio del MIT, è stato immaginato un robot morbido sottile come un filo che potrebbe galleggiare attraverso le arterie e rimuovere i coaguli, potenzialmente trattando gli ictus senza chirurgia aperta. Gli scienziati di Harvard stanno lavorando anche su esoscheletri morbidi indossabili – una manica leggera gonfiabile che ha aiutato i pazienti con ALS a sollevare una spalla, migliorando immediatamente la loro gamma di movimento.

Le agenzie spaziali stanno anche guardando ai saltatori morbidi. Le ruote possono rimanere bloccate sulla sabbia o sulle rocce, ma un robot saltatore potrebbe superare crateri e dune. La NASA sta anche immaginando nuovi saltatori per la Luna e le lune ghiacciate. In un concetto, un robot delle dimensioni di una palla da calcio chiamato SPARROW utilizzerebbe getti di vapore (da ghiaccio bollente) per saltare molti chilometri su Europa o Encelado. Nella bassa gravità di queste lune, un piccolo salto può coprire una lunga distanza – gli scienziati notano che un salto di un metro di un robot sulla Terra potrebbe portarlo a 100 metri su Encelado. L’idea è che decine di questi saltatori potrebbero attraversare il terreno alieno “con completa libertà di viaggio” dove i rover a ruote si bloccerebbero. Sulla Terra, i futuri saltatori morbidi potrebbero aiutare nelle missioni di ricerca e soccorso saltando sopra fiumi, fango o terreno instabile che fermerebbe i robot convenzionali.

I robot morbidi stanno anche trovando lavoro nell’industria e nell’agricoltura. La Fondazione Nazionale della Scienza degli Stati Uniti nota che potrebbero diventare aiutanti sicuri sui pavimenti delle fabbriche o nelle fattorie, poiché si adattano se un essere umano è sulla loro strada. I ricercatori hanno anche costruito grippers morbidi che raccolgono delicatamente la frutta senza ammacciarla. La flessibilità delle macchine morbide significa che possono agire in posti troppo piccoli o flessibili per i dispositivi rigidi.

Alla fine, gli esperti ritengono che la robotica morbida cambierà fondamentalmente molti campi. Dai vermi alle tute indossabili ai saltatori lunari, questo filo di ricerca mostra come lo studio di creature minuscole possa produrre grandi balzi nella tecnologia.