La stampa 3D può rendere la robotica più sicura grazie alla biomimetica

Uno studio pubblicato su Advanced Intelligent Systems questo mese presenta una nuova forma di attuatore robotico che utilizza la biomimetica per creare un movimento simile a quello dei muscoli umani. Questi attuatori morbidi consentono agli ingegneri di realizzare dispositivi flessibili in grado di svolgere compiti unici come piegare o trasformare forme. Ecco cosa c’è da sapere.

Soft Robotics

I robot morbidi o ‘non conformi’ sono un campo in crescita con potenziale illimitato. Questi dispositivi possono spostarsi e piegarsi per adattarsi a fessure strette, intorno agli angoli e in altri scenari in cui un dispositivo rigido fallirebbe. Perciò, il mercato della robotica morbida è in aumento, con gli analisti che prevedono un CAGR del 55,4% fino al 2029.

Problems with Traditional Actuators

Un fattore che continua a limitare la crescita del settore della robotica morbida è la selezione attuale di attuatori. Ogni attuatore abilita un ulteriore vettore di movimento per l’unità. Tuttavia, questi dispositivi creano punti rigidi all’interno delle strutture robotiche non conformi. Questi punti rigidi impediscono una vera libertà di movimento.
Inoltre, è necessario un altro attuatore per ogni gamma di movimento. Perciò, possono aumentare il peso e il costo di questi dispositivi. I robot più pesanti consumano più energia, rendendoli meno utili, efficienti e produttivi.

Using Biomimetics to Create a Better Actuator

Lo studio approfondisce una nuova forma di attuatore morbido che assomiglia più da vicino ai muscoli umani in quanto si allunga e si contrae allo stesso tempo. Questa combinazione genera più forza e consente al corpo di trasferire tale forza in modo più efficiente. Fino ad ora, gli ingegneri robotici si sono concentrati principalmente su attuatori che potevano espandersi e contrarsi, con poca attenzione alla loro rigidità durante il processo.

Fonte – Advanced Intelligent Systems

Ricercatori

Ricercatori della Northwestern e della McCormick School of Engineering si sono uniti per esplorare le possibilità di un nuovo tipo di attuatore biomimetico. Lo studio è stato guidato da Taekyoung Kim. Ha ricevuto aiuto da Pranav Karthik, Ryan Truby e dal professore junior di Scienza dei Materiali e Ingegneria Meccanica presso la McCormick School of Engineering, Donald Brewer. Insieme, questo team innovativo ha creato un nuovo processo di produzione e prototipi funzionanti e ha condotto ricerche approfondite sul loro nuovo attuatore biomimetico.

A New of Actuator

Il primo passo compiuto dal team è stato stampare in 3D il corpo della loro unità. I ricercatori dovevano trovare una struttura in grado di piegarsi e torcersi ma che potesse comunque gestire la pressione quando necessario. In particolare, il design presenta dei soffietti che si deformano automaticamente mediante buckling torsionale a torques crescenti. Questa manovra crea una forma elicoidale che può trasferire il carico torsionale in modo efficiente.

Better Material for the Job

Si sono resi conto fin dall’inizio che i normali materiali per attuatori stampati in 3D non sarebbero stati sufficientemente flessibili per completare il compito. Dopo molte discussioni, è stato deciso di utilizzare poliuretano termoplastico per il loro dispositivo. Questo materiale si trova in molti oggetti di uso quotidiano. È quel materiale gommoso che la custodia del tuo cellulare e altri oggetti usano per rimanere protetti. In particolare, questo materiale è elastico e può gestire la coppia torsionale se necessario.

Single Motor

Una delle più grandi modifiche agli attuatori tradizionali apportata dai ricercatori è stata l’eliminazione della necessità di più motori. Il loro dispositivo può formare una moltitudine di forme e muoversi in più direzioni semplicemente ruotando il singolo motore, facendo estendere e contrarre il dispositivo.

Unique Movements

Il design a singolo motore fornisce a questi robot la massima flessibilità. Può espandersi e torcersi per soddisfare le esigenze dell’ambiente e gli obiettivi. Inoltre, il design a singolo motore riduce i costi e può semplificare il design dei dispositivi futuri.

Robot Crawler

Il primo dispositivo creato dal team è stato un robot crawler lungo 26 centimetri. Questa unità può estendersi e piegarsi a seconda della coppia applicata dal servo. Il robot è in grado di muoversi come un verme creando un movimento di trazione che gli consente di navigare in ambienti complessi a 32 centimetri al minuto.

Il team ha messo alla prova il loro crawler in un video pubblico. Si vede l’unità attraversare un tubo complesso che richiede al robot di effettuare curve strette per raggiungere la libertà. Il dispositivo è riuscito facilmente a percorrere le curve tortuose con successo.

I risultati del test del crawler sono risultati positivi. Il robot è in grado di allungarsi del 45% consentendogli di diventare lungo e sottile quando necessario. Inoltre, il team ha osservato che l’unità ha una forza massima di spinta bloccata di circa 8 N.

Artificial Bicep

Il prossimo prototipo mostrato dal team è stato un bicipite robotico. Questo dispositivo integra una cella di carico a 6 assi, una guida lineare e un singolo servo per generare coppia e movimento simili a un bicipite umano.

Il dispositivo è realizzato con lo stesso materiale gommoso dell’albero morbido. Questo design fornisce risposte non lineari e viscoelastiche. Queste azioni producono una risposta di isteresi forza-spostamento, consentendo al dispositivo di avvolgere oggetti come un braccio umano.

Gli ingegneri hanno testato il loro bicipite robotico per valutarne le capacità. L’unità ha sollevato con successo un peso di 500 g per 5.000 volte senza guasti. Questi risultati dimostrano la ripetibilità e l’efficacia del nuovo approccio ai movimenti robotici.

Test

La fase di test ha fornito feedback preziosi ai ricercatori che cercheranno di migliorare i loro futuri progetti usando questi dati. Gli ingegneri erano desiderosi di acquisire informazioni fondamentali, tra cui la coppia dell’attuatore, la pressione di spinta e trazione, la resistenza alla trazione e altri test di stress vitali che possono aiutare a determinare le capacità massime della nuova configurazione.

Benefici

Lo studio dei ricercatori potrebbe avere effetti notevoli sul mercato. Il campo della robotica morbida continua a espandersi e, man mano che più di questi dispositivi entrano in produzione, i loro vantaggi diventano più evidenti. Ecco solo alcuni dei modi in cui questa ricerca potrebbe contribuire a spingere il mercato della robotica morbida in avanti.

Make Robots Safer

Uno dei motivi principali per cui si spinge alla creazione di robot morbidi è che sono molto più sicuri da utilizzare. Man mano che i produttori cercano di integrare la robotica nella loro forza lavoro, diventerà più comune che umani e robot lavorino fianco a fianco. I robot morbidi sono un compagno di lavoro molto migliore nella maggior parte degli scenari per molte ragioni.

Innanzitutto, è meno probabile che causino danni se li urti. Scontrarsi con un tubo di metallo è già doloroso. Il dolore può aumentare se il dispositivo metallico è in movimento e ti colpisce. I robot morbidi aiuterebbero a eliminare lesioni minori dovute a piccoli urti e collisioni.

I robot morbidi possono operare in ambienti dove i robot tradizionali sarebbero considerati troppo pericolosi da utilizzare. Ad esempio, potrebbero aiutare ad allevare il bestiame in futuro. Per ora, questi dispositivi sono più adatti a ambienti centrati sull’uomo rispetto ai robot rigidi tradizionali.

Low Cost

Uno dei maggiori vantaggi dello studio è il risparmio. Creare server robotici e robot rigidi è un compito costoso che lo ha limitato per decenni principalmente a grandi produttori di fascia alta. Recenti innovazioni hanno contribuito a livellare il campo di gioco per le operazioni più piccole.
Questo ultimo sviluppo riduce ulteriormente i costi. Secondo la documentazione dei ricercatori, i prototipi robotici utilizzati costavano solo 3 $ in materiali, escluso il servo. Questa alternativa economica apre la porta a una maggiore integrazione, poiché ci sono molti compiti che i robot potrebbero svolgere ma le restrizioni di costo ne hanno limitato l’uso fino ad oggi. Presto, la robotica morbida a basso costo potrebbe trovarsi ad assisterti nella vita quotidiana.

Use Regular 3D Printers.

Un’altra innovazione è stata l’introduzione di un attuatore biomimetico compatibile con le stampanti 3D. La possibilità di fabbricare questi dispositivi usando una stampante 3D pronta all’uso significa che chiunque può integrare i risultati dello studio dei ricercatori e creare nuovi e innovativi design di robotica morbida.

Integrated

I ricercatori sono orgogliosi che il loro nuovo attuatore possa essere integrato senza problemi nei design robotici odierni. Questo passo aiuterà a favorire l’adozione e a semplificare l’innovazione. Inoltre, aiuta gli sviluppatori a ottenere feedback immediati sulla loro ricerca man mano che più ingegneri sfruttano la loro strategia.

Current Market Leaders

Il mercato della robotica morbida presenta una forte concorrenza tra i principali attori. Uno studio recente ha scoperto che solo 5 produttori leader controllano il 40 % del mercato della robotica morbida. Lo stesso studio ha rilevato che il Nord America è in testa alla corsa in termini di adozione. Alcuni dei principali produttori includono Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories e Panasonic.

1. Cyberdyne

Cyberdyne è un’azienda tecnologica di cibernetica che cerca di combinare IA, robotica e sistemi informativi per creare un nuovo livello di efficienza e capacità. L’azienda è un pioniere nel mercato della cibernetica ed è riconosciuta come uno dei principali ricercatori e produttori di dispositivi robotici morbidi.
Cyberdyne ha registrato una crescita impressionante. L’azienda ha visto il suo fatturato aumentare del +52 % da ¥2,15 miliardi a ¥3,29 miliardi in un solo anno. Gran parte di questa crescita può essere attribuita a iniziative di successo nel settore delle attrezzature mediche.

2. Soft Robotics

Soft Robotics è un altro importante attore del settore. Questa azienda è specializzata nella produzione automatizzata e nelle attività agricole. I suoi dispositivi integrano soluzioni avanzate di ispezione visiva e algoritmi di IA per garantire che il loro dispositivo possa raccogliere, ordinare e identificare gli oggetti con precisione.
Soft Robotics introduce una mano a presa morbida che sfrutta la visione 3D e l’IA per svolgere compiti complessi che prima erano possibili solo per gli esseri umani. Questi dispositivi consentono agli agricoltori di raccogliere, ordinare e confezionare ad alta velocità. In particolare, Soft Robotics è un ottimo esempio di come i robot morbidi possano migliorare la produttività.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings è un leader globale nella tecnologia degli esoscheletri. La tecnologia dell’azienda svolge molteplici ruoli sia nel settore sanitario che in quello manifatturiero. Attualmente offrono una varietà di esoscheletri utilizzati specificamente per la riabilitazione, la terapia e per aiutare le persone con problemi di mobilità a guarire.
Ekso offre esoscheletri sia per la parte superiore del torso che per la parte inferiore del corpo. Questi dispositivi consentono all’utilizzatore di percorrere distanze maggiori, sollevare di più e gestire sforzi maggiori senza affaticamento. Il posizionamento dell’azienda e i prodotti pionieristici le hanno permesso di ottenere enormi guadagni di fatturato dal 2022.

Companies that Could Benefit from the Biomimetic Actuator

Molte aziende potrebbero utilizzare lo studio dei ricercatori e migliorare le loro offerte attuali. Queste aziende sono già attive sul mercato e offrono prodotti che potrebbero trarre beneficio da questa tecnologia in termini di maggiore efficienza, costi operativi più bassi o offerte migliori.

ReWalk Robotics

ReWalk è un fornitore di sistemi di camminata bionica. L’azienda ha aiutato migliaia di persone a riacquistare la mobilità grazie al suo approccio innovativo e al suo focus. ReWalk Robotics cerca di aiutare i paraplegici a riprendere il controllo della loro vita utilizzando i loro prodotti unici.

L’assistente di camminata bionica ReWAlk è dotato di cinghie per le gambe alimentate da servo, una batteria a zaino e un telecomando montato al polso. Questo dispositivo può essere configurato per muoversi su richiesta o per rilevare automaticamente il movimento. In questa modalità, il sistema può migliorare le azioni dell’utilizzatore con il minimo sforzo.

Rewalk Robotics ha una valutazione di consenso “acquista” grazie al suo posizionamento sul mercato. L’azienda continua a spingere i confini con i suoi design e prodotti unici. L’introduzione di tecnologie aggiuntive, come IA e attuatori biomimetici, potrebbe ridurre notevolmente i costi delle loro unità in futuro.

RightHand Robotics

RightHand Robotics è un altro produttore di robot morbidi. L’azienda ha sede a Boston e offre una selezione di prodotti progettati per fornire soluzioni di picking efficienti al mercato. L’azienda cerca di dare potere ai rivenditori per gestire un commercio online semplificato con l’aiuto delle loro opzioni di smistamento robotico.
In particolare, RightHand Robotics ha ricevuto numerosi riconoscimenti per i suoi sforzi. L’azienda è stata inserita nella classifica Azienda di Robotica dell’Anno ai New England Venture Capital Association (NEVY) Awards per il suo lavoro nel settore.

Biomimetics will Make Life Easier for All.

In futuro, i robot ricopriranno molte più posizioni. I robot morbidi aiuteranno a far progredire questa integrazione poiché questi dispositivi sono più adatti a lavorare accanto agli esseri umani rispetto alle unità tradizionali. Per ora, la ricerca condotta da questi ingegneri potrebbe contribuire a trasformare i robot da opzioni rare a soluzioni altamente accessibili che chiunque può acquistare. Perciò, è consigliabile monitorare questi sviluppi man mano che si evolvono.
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