Robotica
Avanzare la robotica con aspirazione multi‑scala
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I robot e lo studio della robotica sono un campo in continua evoluzione che continua a esplorare nuove strade per rendere i nostri processi più efficienti e ottimizzati. Questi sforzi e queste esplorazioni sono spesso ispirati dalla natura e dal regno animale che ci circonda. Per esempio, scienziati dell’Università di Bristol hanno sviluppato una ventosa robotica con capacità di aspirazione super adattive simili alle ventose biologiche di un polpo.
Meccanismo di aspirazione ispirato al polpo nei robot
Tutto è iniziato con il Bristol Robotics Laboratory che ha studiato la struttura delle ventose biologiche di un polpo, le quali mostrano livelli molto elevati di capacità di aspirazione e possono ancorarsi a qualsiasi roccia nel modo più ottimizzato possibile. Questa ricerca ha portato alla creazione di una struttura morbida a più strati e di un sistema fluidico artificiale che può comportarsi come la muscolatura e le strutture mucose di un polpo.
Mentre spiegava il risultato più significativo di questa ricerca, Tianqi Yue, l’autore principale del documento, ha dichiarato quanto segue: “Lo sviluppo più importante è che abbiamo dimostrato con successo l’efficacia della combinazione di conformazione meccanica – l’uso di materiali morbidi per conformarsi alla forma della superficie – e sigillo liquido – la diffusione dell’acqua sulla superficie di contatto per migliorare l’adattabilità dell’aspirazione su superfici complesse. Potrebbe anche essere il segreto dietro la capacità degli organismi biologici di ottenere un’aspirazione adattiva.”
Lo sviluppo chiave, quindi, è salire di un gradino rispetto all’attuale modalità di aspirazione artificiale e entrare nel regno dell’aspirazione adattiva — la capacità di attaccarsi alle superfici più difficili e complesse. Questo ha richiesto un meccanismo multi‑aspirazione, e la ricerca ha dimostrato come realizzarlo.
Ricerca storica per comprendere meglio come funzionano le ventose dei polpi
Comprendere come funziona l’aspirazione nei polpi è da tempo un’area di interesse per la comunità scientifica. I ricercatori sapevano che i polpi potevano muovere le loro ventose in modo indipendente e afferrare gli oggetti quando necessario.
Uno studio condotto da ricercatori di Livorno ha esaminato i polpi più di un decennio fa e ha scoperto che i lati e i bordi delle loro ventose erano costruiti in modo unico. Le loro ventose presentavano piccole scanalature concentriche, che le aiutavano a formare una tenuta forte su qualsiasi superficie ruvida sott’acqua.
Scanalature simili potevano essere viste anche nella sezione superiore, risultando in una tenuta efficace e forte ma a bassa pressione.
Indagando più a fondo su questo fenomeno a bassa pressione, i ricercatori hanno ottenuto ulteriori informazioni sulle ventose. Hanno scoperto che mentre i lati e i bordi delle ventose erano morbidi, la parte superiore era molto più rigida. Questa minore elasticità, in tutte le probabilità, ha favorito la generazione locale di bassa pressione, rendendo l’adesione superiore, robusta ed efficiente.
Da questa scoperta, si è parlato di imitare i meccanismi di aspirazione dei polpi nei robot. Ora, possiamo vedere gli sforzi giungere a compimento.
Meccanismo multi‑aspirazione e come è stato decifrato!
La ricerca ha proposto che il meccanismo multi‑aspirazione simile a quello del polpo potesse essere replicato attraverso una combinazione organica di conformazione meccanica e sigillo d’acqua regolato. I materiali morbidi a più strati impiegati nella soluzione robotica hanno prima generato una conformazione meccanica ruvida al substrato, riducendo infine le aperture di perdita a micrometri. Queste aperture di dimensioni microniche sono state poi sigillate dalla secrezione d’acqua regolata da un sistema fluidico artificiale.
Le implicazioni future di questa ricerca
Evidenziando le potenziali aree di applicazione, i ricercatori hanno osservato che questo sviluppo potrebbe aprire la strada a pinze robotiche capaci di gestire una varietà di superfici secche complesse. Hanno sottolineato l’importanza di questo meccanismo di aspirazione adattiva multi‑scala nello sviluppo di strategie di aspirazione più efficaci e unicamente adattive, che potrebbero portare a uno spettro completo di meccanismi di adesione morbida e versatile.
Sottolineando il miglioramento che questa soluzione introduce rispetto alle soluzioni esistenti, Tianqi Yue ha detto:
Le soluzioni industriali attuali utilizzano pompe d’aria sempre attive per generare attivamente l’aspirazione, tuttavia, queste sono rumorose e spreca energia.
La soluzione attuale non necessita di una pompa, quindi è superiore. E come previsto dai suoi sviluppatori, la soluzione attuale porterà a pinze robotiche di nuova generazione che potranno afferrare in modo efficiente vari oggetti irregolari. Il team stesso sta pianificando una ventosa intelligente con sensori integrati che regolerà abilmente il comportamento della ventosa.
Mentre questa ricerca e la soluzione che propone contano sicuramente come una svolta, la comunità scientifica e della robotica è sempre stata ispirata dai polpi.
La straordinaria creatura che è il polpo
Il patrimonio genetico di un polpo è così unico che differisce in modo significativo da quasi qualsiasi altra creatura su questo pianeta. Uno studio sul DNA dei polpi ha rivelato che possiedono circa 33.000 geni, circa 10.000 in più rispetto a un umano. A differenza degli esseri umani e di molti altri animali che possono migliorare il loro codice genetico, i polpi hanno l’incredibile capacità di modificare il proprio RNA.
C’erano anche alcune somiglianze con gli esseri umani. E queste somiglianze li hanno aiutati a diventare più intelligenti come gli umani.
Ad esempio, i polpi possiedono un insieme di geni simili a quelli umani che contribuiscono a una rete neurale nei loro cervelli. Questa rete neurale li rende adattabili a circostanze varie e rapidi apprendisti. Inoltre, la loro capacità di modificare i loro RNA migliora la loro adattabilità, permettendo loro di sopportare il freddo estremo delle profondità oceaniche.
Come è evidente visivamente, i polpi hanno un cervello grande. E, come gli umani, possiedono un sistema circolatorio chiuso, occhi protetti dall’iride, retina e lente.
I polpi hanno anche capacità di camuffamento di livello superiore. Ora che il loro codice genetico è stato decodificato, sarà più facile per gli scienziati capire come lo ottengono. Cambiano il colore della loro pelle in millisecondi, una capacità da cui neuroscienziati, ingegneri tessili e ingegneri strutturali possono trarre beneficio.
La mente di un polpo
Il brillante aspetto fisiologico di un polpo, soprattutto il suo grande cervello, ha motivato gli scienziati a studiare più a fondo i suoi processi cognitivi.
Nel 2016, Peter Godfrey-Smith, Professore Distinto di Filosofia al Graduate Center della City University of New York e professore di storia e filosofia della scienza all’Università di Sydney in Australia, ha scritto un libro intitolato ‘Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness.‘ In esso, ha scritto:
I polpi e i loro parenti (seppie e calamari) rappresentano un’isola di complessità mentale nel mare degli animali invertebrati. Dalle mie prime interazioni con queste creature circa un decennio fa, sono stato affascinato dal potente senso di coinvolgimento possibile quando si interagisce con loro.
Nel libro, il Professor Godfrey-Smith ha evidenziato che un polpo comune possiede circa 500 milioni di neuroni nel suo corpo. Sebbene questo sia molto meno di quanto hanno gli esseri umani — quasi 100 miliardi — i polpi sono abbastanza intelligenti in quanto possono navigare labirinti semplici e utilizzare efficacemente indizi visivi per distinguere due ambienti diversi ma familiari e scegliere il percorso migliore.
È la combinazione di intelligenza e unicità fisiologica che fa distinguere i polpi dalla massa. In sostanza, il campo della robotica ha sempre cercato di raggiungere questo stato in cui strumenti intelligenti svolgono compiti complessi. Non sorprende che gli studenti di robotica abbiano esplorato costantemente questa straordinaria creatura. Oltre ai ricercatori istituzionali, diverse aziende note sono attive in questo settore.
#1. ABB
Una società che ha sempre avuto interesse a imitare le capacità dei polpi nei suoi prodotti è stata ABB. Nel 2018, ABB Technological Ventures, il braccio di investimento di venture capital strategico di ABB, ha stretto una partnership con Soft Robotics, una spin‑off del Whitesides Group.
Ispirata dalla funzionalità dei tentacoli di un polpo, Soft Robotics ha sviluppato attuatori robotici morbidi a base di polimeri che operano senza la necessità di sensori o dispositivi elettromeccanici. L’azienda ha integrato la potenza computazionale direttamente nella pinza stessa e ha sviluppato una miscela proprietaria di materiali con canali microfluidici che imitano i tessuti morbidi della mano umana.
Sviluppi recenti nell’integrazione dell’aspirazione multi‑scala nella robotica avanzata possono migliorare l’efficacia e l’efficienza di queste tecnologie.
I polpi, noti per la loro elevata intelligenza e strutture oculari sofisticate che somigliano a quelle umane, hanno ispirato sviluppi significativi nella robotica. Quest’anno, ABB ha acquisito Sevensense, una società tecnologica svizzera specializzata nel migliorare la mobilità dei robot industriali dotandoli di capacità visive e cognitive.
Nell’anno finanziario 2023, ABB Group ha registrato ricavi di 32,2 miliardi di dollari USA. L’azienda ha inoltre effettuato un investimento significativo di 1,3 miliardi di dollari USA in ricerca e sviluppo. Nel frattempo, il suo margine EBITA operativo era vicino al 17%.
#2. Festo
In un altro caso, dove un’azienda leader nella robotica ha già mostrato interesse e potrebbe sfruttare ulteriormente l’aspirazione multi‑scala per migliorare le proprie capacità, osserviamo il robot tedesco Festo ispirato a un polpo.
Originariamente chiamato OctopusGripper, questo dispositivo robotico poteva raccogliere, tenere e posare oggetti usando una combinazione di ventose e aria. Da allora è stato rinominato Tentacle Gripper. L’azienda descrive questo gripper bionico come una struttura in silicone morbido che può essere controllata pneumaticamente. Quando viene fornita aria compressa, il gripper può piegarsi verso l’interno, consentendogli di avvolgersi attorno agli oggetti in modo sicuro.
Strutturalmente, il gripper ha due file di ventose attaccate all’interno dei tentacoli in silicone. Piccole ventose sono posizionate sulla punta del gripper, fornendo un effetto passivo, mentre ventose più grandi, alimentate da un vuoto, aiutano l’oggetto ad aderire fermamente al gripper.
Festo ha testato il robot su due robot leggeri pneumatici anch’essi sviluppati nel Bionic Learning Network: il BionicMotionRobot e il BionicCobot. Grazie alla loro natura cinematica, entrambi questi robot erano flessibili e potevano essere irrigiditi in modo variabile in infinite modalità.
Poiché il tentacolo artificiale è stato sviluppato da un materiale morbido, poteva afferrare delicatamente e con dolcezza. L’azienda ha affermato che la soluzione ha un grande potenziale per ambienti di lavoro collaborativi futuristici.
Dal punto di vista dei ricavi, l’anno finanziario 2023 è stato un anno di consolidamento per l’azienda. Secondo uno dei comunicati stampa di Festo, il suo fatturato registrato era appena al di sotto del livello dell’anno precedente (—4,3% a circa 3,65 miliardi di euro).
Indipendentemente dal lieve calo dei ricavi, l’azienda ha affermato di aver continuato a investire pesantemente in ricerca e sviluppo e nell’espansione della fornitura di mercato regionale. Più specificamente, l’azienda ha investito il 7,7% del suo fatturato in ricerca e sviluppo nel 2023.
Sulla robotica che trae ispirazione dalla natura e dal regno animale
Oggi, abbiamo discusso un caso specifico di robotica che prende spunto dalle ventose di un polpo. Tuttavia, vista da una prospettiva più ampia, può prendere spunto dall’intero mondo naturale che ci circonda. E numerose iniziative di robotica bio‑ispirata sono già attive nel dominio pubblico.
Ad esempio, a gennaio 2024 è stata pubblicata una ricerca che presentava un robot autonomo in crescita ispirato alle strategie comportamentali adattive delle piante rampicanti per navigare ambienti non strutturati. Questi robot potevano imitare i germogli apicali delle piante rampicanti per percepire e coordinare una crescita adattiva additiva attraverso un meccanismo di fabbricazione additiva incorporato e una punta sensorizzata.
Ricerche significative si sono anche verificate nell’area dei materiali compatibili con la produzione di robot morbidi. Alcuni anni fa, un team di scienziati e ingegneri dell’Università del Minnesota Twin Cities ha sviluppato un processo ispirato alle piante per potenziare la crescita di materiali sintetici.
La soluzione potrebbe aiutare i ricercatori a produrre robot morbidi migliorati capaci di navigare terreni complessi, anche all’interno del corpo umano. Secondo Matthew Hausladen, primo autore del documento, i ricercatori sono stati davvero ispirati da come le piante e i funghi crescono. I ricercatori hanno detto:
Noi (il team di ricercatori) abbiamo preso l’idea che piante e funghi aggiungono materiale alla fine dei loro corpi, sia alle punte delle radici sia ai nuovi germogli, e l’abbiamo tradotta in un sistema ingegneristico.
Il mondo naturale ha subito infinitamente più cambiamenti e trasformazioni di quanto possiamo immaginare, con gli animali che sopravvivono e si adattano per millenni. Dobbiamo studiare le loro incredibili tecniche di adattamento con meticolosità e osservarle in maggiore dettaglio. Tentare di replicarle nel loro vero spirito ci aiuterà sempre a raggiungere molto più di quanto possiamo immaginare nei campi della scienza e della tecnologia.
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