Un Approccio più Morbido alla Robotica
Approccio Morbido alla Robotica
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Pronunciare la parola “robotica” e la maggior parte delle persone evoca immagini di C-3PO di Star Wars, o dei tipi di robot industriali utilizzati per la produzione di automobili o formaggi confezionati. Praticamente tutti questi dispositivi robotici sono composti da sistemi meccanici rigidi, talvolta dotati di varie forme di intelligenza artificiale (IA).
Tuttavia, un nuovo genere di dispositivi robotici sta prendendo forma. Incorporando esoscheletri e pelli artificiali, circuiti logici pneumatici, attuatori morbidi, elettronica flessibile e metodi di ingegneria e design completamente diversi rispetto ai loro cugini rigidi, i roboti morbidi si stanno muovendo dal laboratorio di ricerca al mondo reale.
L’impatto sulla società probabilmente sarà significativo. “Imitando la conformità meccanica e la multifunzionalità degli organismi naturali a corpo morbido, i roboti morbidi possono essere utili per una vasta gamma di compiti e scopi”, afferma Carmel Majidi, professore di ingegneria meccanica presso la Carnegie Mellon University.
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Assistenza e medicina interna, agricoltura, confezionamento alimentare e ricerca e soccorso sono solo alcune delle aree in cui la robotica morbida potrebbe intervenire. Tuttavia, nonostante enormi progressi nel campo, rimangono numerosi sfide. Gli ingegneri devono dotare i sistemi robotici morbidi di capacità sensoriali sofisticate, elettronica miniaturizzata, una fonte di alimentazione e IA integrata.
La robotica morbida rappresenta un’opportunità per progettare macchine che colmano il divario tra uomo e macchina, afferma Ryan Truby, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la Northwestern University. “Costruire macchine con materiali morbidi e flessibili apre enormi possibilità. Può introdurre nuovi tipi di macchine e migliorare molte delle capacità delle macchine attuali.”
Un nuovo tocco
Nonostante i robot siano comuni nelle fabbriche, nelle strutture chirurgiche, nei centri di distribuzione, nelle case, nei cieli e sott’acqua, soffrono tipicamente di una grave limitazione: sono sistemi meccanici rigidi che ripetono un’azione singola o una leggera variazione della stessa attività. Poiché non possono cambiare forma o adattarsi facilmente, non possono raggiungere luoghi o fare cose che sono abbastanza facili per gli esseri viventi.
La robotica morbida si propone di portare il campo dove non è mai stato. Utilizzando la natura come ispirazione e attingendo alla competenza della biologia, delle scienze dei materiali, della psicologia e dell’informatica, l’idea è quella di costruire dispositivi che si conformano alle forme dei corpi e di altri oggetti. Invece di bracci e giunti meccanici rigidi, i sistemi morbidi incorporano superfici flessibili, pelli e altri componenti come la microfluidica, che permettono loro di interagire in modi più naturali.
Il futuro della robotica morbida è già in mostra nel Pediatric Rehabilitation Technology Lab presso l’Università della California, Riverside (UCR). Elena Kokkoni, professore associato presso il Dipartimento di Bioingegneria dell’università, sta lavorando per sviluppare sistemi robotici morbidi che aiutano neonati e bambini piccoli con limitate funzioni motorie dovute a disturbi neuromuscolari a imparare a usare le loro membra.
Attualmente, i dispositivi di assistenza possono essere ingombranti e un po’ intimidatori. Inoltre, “Rimangono per lo più passivi e mancano della capacità di adattarsi in tempo reale. Non forniscono il livello di assistenza necessario”, dice Kokkoni.
Il team multidisciplinare dell’UCR ha già sviluppato diversi prototipi di esoscheletri pediatrici indossabili che aiutano nella mobilità del braccio. I dispositivi, che possono essere modificati per funzionare con spalle, gomiti, ginocchia e altre articolazioni, si basano su pneumatici e circuiti microfluidici, attuatori morbidi incorporati e altri sensori per rispondere alle esigenze specifiche di un bambino in tempo reale, utilizzando l’IA e altri strumenti di feedback. “Il nostro obiettivo è produrre un dispositivo a basso consumo energetico che sia sicuro per il corpo, leggero, a basso profilo e che faccia quasi nessun rumore”, afferma.
Sebbene un esoscheletro completamente funzionale sia ancora a qualche anno di distanza, Kokkoni è ottimista che la robotica morbida di assistenza cambierà l’assistenza sanitaria. “Questi sistemi potrebbero aiutare le persone con ictus o lesioni a riabilitarsi più rapidamente ed efficacemente”, dice.
Il focus sui bambini piccoli è voluto. A differenza degli adulti, i neonati non possono fornire un feedback verbale – e il dispositivo colma il vuoto rilevando segnali non verbali. Tuttavia, “Questi dispositivi non sono progettati per creare dipendenza. Insegnano ai bambini come usare i loro corpi”, spiega Kokkoni.
Il movimento conta
Passare da meccanismi motorizzati grandi e precisi a sistemi robotici che si conformano a un mondo complesso e dinamico richiede una combinazione di tecnologie diverse. “I robot convenzionali sono costruiti attorno all’idea di abilitare l’intelligenza computazionale”, dice Truby. Per eseguire compiti in modo sicuro ed efficiente, sia il robot che la programmazione devono essere precisi. “Questo ci ha portato a costruire robot rigidi”.
Nuovi tipi di materiali e componenti – muscoli e pelli artificiali, elettronica morbida, persino nuovi sistemi microfluidici – offrono opportunità per ripensare i progetti. Tuttavia, Truby, la cui ricerca presso il Robotic Matter Lab della Northwestern si orienta verso materiali morbidi, polimerici e nanoscala funzionali, afferma che è anche importante riconsiderare gli aspetti computazionali della robotica. “Quando una persona afferra un oggetto come uno smartphone, il processo non è né preciso né mai esattamente lo stesso. Stiamo utilizzando la deformabilità della nostra pelle e le meccaniche dei nostri corpi morbidi per eseguire senza sforzo questo compito”.
Tuttavia, per i robot attuali, gestire un telefono allo stesso modo è “complesso e difficile”, puntualizza Truby. Di conseguenza, è essenziale adattare gli algoritmi ai materiali morbidi. “Dobbiamo ripensare il modo in cui raggiungiamo algoritmicamente comportamenti autonomi per sfruttare il corpo del robot e ottimizzare le sue prestazioni”.
Presso il Soft Machines Lab della CMU, l’attenzione è rivolta alla progettazione di robot da campo senza vincoli che sono più agili e in grado di cambiare forma e strisciare attraverso spazi ristretti, anche all’interno del corpo umano, o di combinare compiti come nuotare e strisciare. “Stiamo assistendo a progressi enormi in materiali, architetture e strumenti computazionali sia per la progettazione che per il controllo”, afferma Majidi. Una volta che i sistemi incorporano controller elettronici più avanzati e componenti integrati, è probabile che la tecnologia diventi “parte ubiqua dell’ingegneria”.
In effetti, predice che i dispositivi futuri potrebbero allontanarsi ancora di più dall’idea di un robot in piedi, una macchina meccanica in una fabbrica o persino un Roomba che aspira i pavimenti. I metodi di ingegneria della materia morbida potrebbero portare a dispositivi che si indossano sul corpo e interagiscono anche con la pelle e gli organi interni. “La tecnologia potrebbe anche portare a strumenti chirurgici poco invasivi che sono più completamente autonomi e in grado di eseguire riabilitazione fisica, assistenza biomeccanica o procedure chirurgiche con una dipendenza minima da un operatore umano.
Conclude Truby, “Abbiamo ancora molta strada da fare per sviluppare attuatori migliori e hardware di potenza e controllo appropriati per i robot morbidi. Ma le innovazioni nei materiali bioispirati faranno avanzare la robotica e produrranno macchine che si comportano come organismi viventi. La natura fornisce la prova vivente di ciò che è possibile.”
Samuel Greengard è un autore e giornalista con sede a West Linn, OR, USA.
