La natura non è nuova a fornire ispirazione in molteplici campi umani: dalla musica, alla pittura e alla scultura; forse non ci rendiamo ancora conto quanti spunti utilissimi offra anche alla robotica che, in questo caso, si definisce “bioispirata”.
Alcune strutture robotiche, capaci di lavorare autonomamente in un determinato ambiente, possono infatti essere suggerite dalle innumerevoli soluzioni di adattamento presenti in natura.
Già nel 1955 l’osservazione degli uncini presenti sui fiori di bardana è stata fonte di ispirazione per l’ingegnere elvetico George de Mestral per il brevetto della chiusura a strappo (Velcro).
Il punto di partenza della robotica bioispirata è sempre e comunque l’osservazione approfondita della morfologia e delle funzioni che si sono evolute negli organismi viventi per adattarsi all’ambiente, per poi procedere, con una attenta progettazione, alla realizzazione di componenti simili a quelli naturali utili per soddisfare una specifica necessità dell’uomo.
La robotica bioispirata nell’ultimo decennio si è arricchita di un settore, definito “soft”, in cui l’interesse per i robot rigidi, necessari agli impieghi industriali, lascia uno spazio sempre più consistente a materiali morbidi e adattabili all’ambiente circostante con estrema duttilità, sempre costruiti con meccanismi il più possibili simili a quelli degli organismi viventi. Queste tecnologie di avanguardia oltre a caratterizzare in modo sempre più dettagliato le specificità degli organismi, offrono soluzioni più attente all’ambiente (risparmio energetico) e utili a perfezionarne i sistemi di monitoraggio.
La robotica soft bioispirata è un settore che richiede un forte contributo multidisciplinare e un perfetto lavoro di squadra; per questo non esiste un unico tipo di formazione, perché sono molte le discipline che concorrono allo sviluppo di progetti di questo tipo. In tutti i componenti di questi gruppi di ricerca però si riconoscono tuttavia delle abilità personali comuni: creatività, curiosità e capacità di collaborazione.
La creatività nella robotica bioispirata
Nel 2007 un team di biologi e ingegneri di Stanford ha progettato lo StickyBot, un robot ispirato alle zampe dei gechi che riescono ad arrampicarsi su superfici lisce utilizzando semplici forze di Van der Waals. Le zampe dei gechi sono ricoperte da peli (14.000 per mm2), ciascuno dei quali rivestito da alcune centinaia di spatole attraverso cui si esercitano forze di Van der Waals che agiscono da adesivi secondo una sola direzione. Il robot ispirato al geco aderisce in modo temporaneo secondo uno spostamento direzionale senza lasciare materiali residui e, per il fatto di utilizzare solo forze di Van der Waals, quando si modifica la direzione, si stacca senza sforzo, con evidente risparmio di energia.
Dallo studio biologico e funzionale delle zampe del geco sono stati predisposti StickyBots con simil zampe rivestiti da materiali polimerici su microscala, del tutto simili ai peli e alle spatole del geco.
Sempre più soft
I robot “soft” si mettono in evidenza a partire dal progetto Octopus, voluto dalla Commissione Europea dal 2009 al 2013 e realizzato con il coordinamento di Cecilia Laschi ed il contributo di Barbara Mazzolai, con la realizzazione di braccia soft che imitano i tentacoli dei polpi in grado di presentare caratteristiche di flessibilità per inserirsi in spazi anche molto ristretti e svolgere poi attività prensile per oggetti di forma, dimensioni e consistenze diverse, capaci di adattarsi all’oggetto da afferrare con ventose.
La sperimentazione continua con altri progetti relativi al mondo ispirati al mondo vegetale: il Plantoide (2012) che imita l’accrescimento delle radici grazie a un sofisticato meccanismo di stampante 3D miniaturizzata, posta sull’estremità della radice, che spinge materiale polimerico per assicurare la penetrazione nel terreno evitando attriti; il progetto GrowBot (2019) che riproduce i movimenti delle piante rampicanti (progetti coordinati da Barbara Mazzolai)
E’ davvero interessante ascoltare direttamente dalle parole delle protagoniste la presentazione dei loro progetti in occasione di TEDxPadova 2015 e 2016:
1) Video di presentazione del progetto Plantoide TEDxPadova 2015 La Natura ci ispira: la pianta robotica mette le radici | Barbara Mazzolai | TEDxPadova (youtube.com)
2) Video di presentazione del progetto Octopus: La robotica soft insegnata da un polpo | Cecilia Laschi | TEDxPadova (youtube.com) dal TEDxPadova 2016
I recenti sviluppi
Negli ultimi anni si sta facendo strada un nuovo progetto finanziato dall’Unione Europea nel 2020: il progetto I-Seed. In sintesi si tratta della pianificazione di semi robotici intelligenti, biodegradabili a cui viene affidato il compito di disperdersi nell’aria e nel suolo in luoghi difficilmente raggiungibili dai tradizionali mezzi di monitoraggio ambientale. La loro dispersione nell’aria viene assicurata da droni. I modelli naturali sono i semi contenuti nelle samare, frutti secchi facilmente trasportati dal vento, oppure semi di Erodium cicutarium, becco di gru, una pianta erbacea delle Geraniaceae con semi a forma di cavatappi, capaci di penetrare nel terreno in funzione dell’umidità. I semi robot di queste piante seguono due percorsi specifici della robotica morbida: gli I-Seed SAM si disperderanno facilmente nell’aria e sul terreno, mentre gli I-Seed ERO sapranno penetrare nel terreno.
Non perdiamo di vista le future applicazioni di altri robot morbidi progettati magari dallo studio della proboscide degli elefanti: siete pronti?
Percorsi formativi
Tra i percorsi universitari possiamo segnalare diversi tipi di lauree con altrettante finalità distinte:
– Scienze biologiche per conoscere la struttura e la fisiologia degli organismi e/o di alcune loro parti e dettagliare al massimo il modello biologico;
– Matematica per elaborare modelli che sappiano riprodurre le caratteristiche del mondo naturale
– Scienze dei materiali per introdurre nuovi materiali, polimerici e non, che possano rispondere a diversi stimoli esterni
– Ingegneria biomedica, meccanica, informatica, robotica per definire il design dei nuovi robot con tecniche in 3D guidato sempre dal modello naturale e per sviluppare algoritmi di controllo
Per ingegneria robotica il percorso inizia da una laurea triennale in Ingegneria Industriale con indirizzo meccanico (L-09) e può concludersi, in alternativa, con la laurea magistrale in Ingegneria dell’Automazione (LM-25), Ingegneria Informatica (LM-32) oppure con Ingegneria Meccanica (LM-33).
Nei team di progettazione e realizzazione potranno confluire molte altre professionalità dal neuroscienziato, al fisico, al farmacologo: più alta sarà la sfida e più forte la risposta affidata a un fitto network di professionisti.
Tra i centri di ricerca e realizzazione di progetti di robotica “morbida” sono da segnalare:
– “The Biorobotics Institute” della Scuola Superiore S. Anna di Pisa con il team di Cecilia Laschi;
– l’IIT, Istituto Italiano di Tecnologia, con il team di Barbara Mazzolai
Le attività di ricerca e sviluppo sono spesso finanziate dall’Unione Europea e affiancano Enti Nazionali ad Aziende private del settore; i progetti realizzati acquistano visibilità attraverso l’ICRA (Conferenza internazionale sulla robotica e automazione, ICRA 2024, Yokohama, dal 13 al 17 maggio 2024), RoboHub (portale di riferimento per la robotica mondiale), conferenze organizzate da TEDx Padova (Tecnology Entertainment Design).
Attività:
1. Ricerca informazioni sull’agricoltura di precisione e sulle possibili applicazioni che Bioinspired Soft Robotics potrà offrire con le specifiche ricadute.
2. Evidenzia i vantaggi per lo studio dell’ambiente derivati da queste nuove strumentazioni
3. Con la Bioinspired Soft Robotics sarà potenziata la sostenibilità?
Foto in apertura: Fiori di Bardana della famiglia delle Asteraceae con i tipici uncini