Potenziare la Robotica Morbida con l’‘Energia Incorporata’ apre nuove possibilità

La robotica è un mercato in rapida crescita, previsto di espandersi da 94,54 miliardi di dollari nel 2024 a superare i 372,59 miliardi di dollari entro il 2034. 

I robot industriali stanno attualmente guidando questa crescita. Oggi, più di 3,4 milioni di robot industriali stanno lavorando per rendere la nostra vita più facile. Le aziende industriali stanno anche pianificando di investire il 25% del loro capitale nell’automazione industriale nei prossimi cinque anni.

Man mano che la robotica continua a guadagnare trazione, un sotto‑campo della robotica sta attirando l’attenzione dei ricercatori. Con l’aumento della domanda di robot in applicazioni al di là dell’automazione industriale, il sotto‑campo della robotica morbida sta suscitando un interesse crescente.

Questi robot imitano i meccanismi di locomozione di corpi morbidi e flessibili presenti in natura, come serpenti, lombrichi, anguille, polpi e altri.

La robotica morbida prende ispirazione dalle strutture biologiche di questi corpi morbidi per il loro movimento fluido e complesso. Invece di utilizzare componenti rigidi e metallici come i robot tradizionali, i robot morbidi sono tipicamente realizzati con materiali flessibili come gel e gomma. Ciò consente loro di adattarsi a ambienti complessi e interagire in sicurezza con gli esseri umani.

Per la loro attuazione, vengono utilizzati diversi metodi, come stimoli termici, segnali elettrici e pressurizzazione dell’aria, tra gli altri. Le fonti della loro attivazione si trovano solitamente al di fuori del corpo del robot e controllano i loro movimenti.

Questi robot offrono i vantaggi di adattabilità e maggiore sicurezza. L’uso di materiali flessibili e leggeri rende queste macchine particolarmente adatte all’interazione diretta con gli esseri umani, poiché riduce il rischio di lesioni. Ciò li rende altamente vantaggiosi in applicazioni come la sanità e la tecnologia indossabile.

Avere giunti flessibili e pinze morbide consente a questi robot di piegarsi, torcersi e allungarsi facilmente. La capacità di eseguire movimenti biologici li rende utili in compiti che potrebbero non essere sicuri per gli esseri umani o che richiedono un alto grado di controllo. La loro flessibilità strutturale e destrezza li rende inoltre adatti alla manipolazione di oggetti fragili e all’esecuzione di altre attività delicate.

Ma, naturalmente, i robot morbidi affrontano anche sfide come forza limitata, bassa precisione, scarsa durabilità, difficoltà nella produzione e nella scalabilità, e la necessità di algoritmi avanzati e sistemi di sensori estesi.

Tuttavia, dato che le capacità dei robot morbidi corrispondono strettamente a quelle degli organismi biologici morbidi, rappresentano una caratteristica promettente in una varietà di settori quali sanità, agricoltura, ricerca e soccorso, e esplorazione spaziale.

Diversi robot morbidi promettenti sono già stati sviluppati. Per esempio, il robot tentacolo di Harvard, il cui pinza morbida simile a una medusa può afferrare delicatamente oggetti fragili imitandone la meccanica dei riccioli.

Nel campo della sanità, K‑FLEX del Korea Advanced Institute of Science and Technology ha la capacità di eseguire interventi endoscopici senza cicatrici, e il cuore bionico del MIT può aiutare i professionisti medici a studiare le malattie cardiovascolari e determinare il miglior percorso terapeutico per i pazienti.

I robot morbidi sono anche utilizzati per esplorare gli oceani. Alcuni anni fa, ricercatori cinesi hanno presentato un robot morbido auto‑alimentato capace di raggiungere il punto più profondo — la Fossa delle Marianne. Per quanto riguarda l’esplorazione spaziale, robot morbidi scavatori sponsorizzati dalla NASA possono percorrere terreni sabbiosi e potrebbero un giorno essere inviati a esplorare le lune di Giove.

Man mano che la ricerca sui robot morbidi avanza, ci si può persino aspettare che sostituiscano i robot rigidi in varie applicazioni. 

L’evoluzione delle specie di robot morbidi

Un nuovo studio del Cornell Engineering ha presentato un robot terrestre strisciante senza cavo con un sistema di alimentazione modulare integrato lungo tutto il suo corpo morbido. 

Prima di creare questo robot lombrico, il laboratorio ha costruito un robot medusa in collaborazione con l’Archer Group del Cornell Engineering. Entrambi sono discendenti diretti di un robot morbido acquoso che è stato presentato sei anni fa. 

Così, nel 2019, i ricercatori della Cornell University hanno pubblicato un articolo¹ intitolato “Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.” Il sistema, che emulava le batterie a flusso redox, combinava le funzioni di trasmissione di forza idraulica, attuazione e immagazzinamento di energia in un unico design, aumentando la densità energetica del robot per consentire un funzionamento fino a 36 ore. 

Per questo, i ricercatori si sono ispirati a un pesce leone, che utilizza pinne a ventaglio ondulante per scivolare negli ambienti delle barriere coralline.

All’epoca, i ricercatori osservavano che “questo uso di immagazzinamento di energia elettrochimica nei fluidi idraulici potrebbe favorire una maggiore densità energetica, autonomia, efficienza e multifunzionalità nei futuri progetti di robot”.

Qualche mese fa, è stato pubblicato un nuovo articolo², “The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot,”. Questa volta, una batteria a flusso redox (RFB) è stata modellata nella forma di una medusa, realizzando un uso multifunzionale dell’energia. 

Le meduse sono per lo più costituite di una sostanza chiamata “mesoglea”, che funge da scheletro interno. Questo materiale rende il corpo della medusa elastico e aiuta a ripristinare la forma dopo che è stato deformato a causa della contrazione muscolare. La mesoglea è composta da microfibrille contenenti fibrillina che la medusa utilizza per alimentare i muscoli, oltre a consentirle di muoversi e nutrirsi.

Il robot è stato alimentato esclusivamente da RFB con densità energetica volumetrica e areale aumentata, risultando in una lunga durata operativa per veicoli subacquei autonomi (UUV) composti principalmente da liquidi, che sono elettrochimicamente densi di energia.

Ora, la ricerca³ è ulteriormente evoluta, proprio come ha fatto la vita terrestre, guidata dallo sviluppo e dal design delle batterie.

Secondo Rob Shepherd, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, che ha guidato il progetto precedente e quello nuovo:

“È così che la vita sulla terra è evoluta. Si parte dal pesce, poi si ottiene un organismo semplice supportato dal suolo. Il lombrico è un organismo semplice, ma ha più gradi di libertà.”

Lo stesso “sangue robotico”, cioè il fluido idraulico che immagazzinava energia e alimentava le applicazioni dei robot precedenti, sostiene anche la nuova specie di robot. Questa volta, però, i ricercatori hanno ulteriormente migliorato il design per ottenere una maggiore capacità della batteria e densità di potenza.

Shepherd ha osservato che la medusa ha una capacità molto maggiore rispetto al suo peso. Questo ha aumentato la durata di viaggio del robot pesce, superando quella del vero pesce. Ora, la loro prima versione sopra il suolo è il lombrico, che è supportato in modo galleggiante sott’acqua e non necessita di uno scheletro, il che significa che non deve essere rigido.

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Energia incorporata che alimenta i robot morbidi

Con l’aumento della domanda di maggiore agilità nella robotica, cresce anche la loro complessità. Ciò significa un incremento nella densità di sensori e nei gradi di libertà (DoF), ovvero il movimento indipendente di un oggetto.

Di conseguenza, il consumo energetico dei robot probabilmente aumenterà, rendendo la capacità energetica un fattore importante da considerare.

È qui che entra in gioco l’energia incorporata. Si tratta di una strategia di design che migliora la densità energetica a livello di sistema attraverso l’uso multifunzionale di fonti di energia integrate. Questo approccio include fondamentalmente le fonti di energia nel corpo della macchina, riducendone costo e peso.

Il robot lombrico modello costruito dal Organic Robotics Lab e la loro medusa mostrano entrambi i vantaggi di questa ‘energia incorporata.’ 

Incorporando l’energia immagazzinata nelle batterie in una parte integrante della struttura e della meccanica del robot, i ricercatori sono riusciti a ottenere risultati migliori. Lo studio ha osservato:

“Incorporare una fonte di energia in moduli attuatori a tendine motorizzati fornisce un’unità muscolare artificiale componibile in robot capaci di lavoro prolungato e utile.”

Entrambi i robot presentano una batteria a flusso redox (RFB), un tipo di sistema elettrochimico che immagazzina energia fornita da due componenti chimiche disciolte in liquido. 

Nel caso del robot a forma di medusa, la RFB è stata costruita con un tendine. Quando il tendine viene tirato, cambia la forma della campana e spinge la creatura verso l’alto, affondando nuovamente quando la campana si rilassa. 

Ancora più importante, il robot medusa presenta una coppia di batterie redox: ioduro di zinco (ZnI2) e bromuro di zinco (ZnBr2). Il bromo è stato aggiunto allo iodio in una delle batterie per migliorare il trasporto ionico, aumentando così la capacità della batteria e la densità di potenza. Di conseguenza, il robot medusa è stato più veloce e più agile, con una durata operativa di circa 90 minuti.

Ora, per evitare il problema dell’accumulo di dendriti sui substrati elettrici delle batterie, che ostacolano la carica e la scarica, i ricercatori hanno impiegato il grafene. L’applicazione del grafene ha permesso loro di adattare meglio i piani cristallini e una placcatura più uniforme dello zinco. 

Il robot lombrico presenta un design compartimentato. Il corpo del lombrico è una serie di pod interconnessi, ciascuno dei quali contiene un motore e un attuatore a tendine per consentire al lombrico di comprimere ed espandere la sua forma. Ogni pod contiene anche una pila di sacchetti di anolita immersi in una catolita.

Un elemento essenziale del design è stato l’uso di un metodo di adesione a secco per legare automaticamente i separatori Nafion al corpo in copolimero silicone‑uretanico del lombrico. Il separatore mantiene separate le anoliti e le catoliti consentendo al contempo il movimento della carica tra di esse, il che poi guida gli elettroni attraverso il motore.

“Ci sono molti robot alimentati idraulicamente, e noi siamo i primi a usare il fluido idraulico come batteria, il che riduce il peso complessivo del robot, perché la batteria svolge due funzioni, fornendo energia al sistema e fornendo la forza per farlo muovere. Quindi si può avere qualcosa come un lombrico, dove è quasi tutta energia, così può percorrere lunghe distanze.”

– Shepherd

Durante i test, i ricercatori hanno scoperto che il robot lombrico può strisciare lungo il terreno così come muoversi su e giù per un tubo verticale. Sebbene il robot lombrico possa percorrere un percorso curvo chiuso e arrampicarsi su e giù, è piuttosto lento, sebbene più veloce di altri robot lombrico idraulici. Con una singola carica, il lombrico impiega 35 ore per percorrere 105 metri.

Il lombrico, secondo i ricercatori, può trovare applicazione nell’esplorazione di ambienti ristretti come passaggi lunghi e stretti e possibilmente nella conduzione di riparazioni. Per quanto riguarda la medusa, il suo caso d’uso può essere trovato nell’esplorazione oceanica. 

Supportata dall’Ufficio della Ricerca Navale e dal Programma Basic Energy Sciences del Dipartimento dell’Energia, questa ricerca è solo l’inizio, poiché il focus del loro lavoro futuro sarà su una RFB completamente liquida. Lo studio ha osservato che la batteria polisolfuro‑ioduro, con la sua alta densità energetica e basso costo, mostra in particolare promettenti potenzialità per le applicazioni della robotica morbida.

In definitiva, il team mira a costruire robot ad alta capacità con energia incorporata. Questi robot futuri avranno anche scheletri e potranno persino camminare, risultando in robot che somigliano agli esseri umani.

“Un organismo imperfetto. Ma comunque fa abbastanza bene.”

– Shepherd

Aziende rilevanti

Ora, diamo un’occhiata a un paio di società quotate in borsa che stanno contribuendo a far progredire il campo della robotica. 

1. iRobot Corporation

Una società globale di robot per consumatori, iRobot è coinvolta nella progettazione, costruzione e vendita di robot durevoli. I suoi prodotti includono Roomba, Braava e Root. iRobot ha venduto decine di milioni di robot in tutto il mondo.

Con una capitalizzazione di mercato di 231 milioni di dollari, le azioni iRobot attualmente scambiano a 7,59 $, in calo del 2,45 % YTD. Il suo EPS (TTM) è -4,60, mentre il rapporto P/E (TTM) è -1,64.

Più recentemente, la società ha riportato risultati finanziari preliminari per il quarto trimestre del 2024, secondo i quali prevede un fatturato di 171 milioni di dollari e una perdita operativa GAAP di 59 milioni di dollari. Prevede inoltre che liquidità e equivalenti di cassa alla fine del FY 2024 saranno circa 134 milioni di dollari.

I risultati, ha detto il CEO Gary Cohen, “riflettono una spesa promozionale stagionale più alta del previsto per stimolare le vendite prima dei lanci di nuovi prodotti nel 2025.” Ha anche condiviso che iRobot ha “cambiato fondamentalmente il modo in cui innoviamo, sviluppiamo e costruiamo i robot,” e che i lanci di prodotti pianificati “che sono progettati per entusiasmare i consumatori con robot ricchi di funzionalità e migliorare l’esperienza del prodotto per il consumatore” sono in linea per essere rilasciati quest’anno.

2. Teradyne

Fornitore globale di apparecchiature di test automatizzate e soluzioni robotiche, Teradyne opera attraverso quattro segmenti focalizzati su semiconduttori, prodotti wireless, sistemi per l’archiviazione, l’aerospazio e le schede circuitali, e robotica, che copre bracci robotici, robot mobili autonomi e software avanzato di controllo robotico.

L’azienda ha distribuito più di 80 000 sistemi robotici avanzati in tutto il mondo e ha investito oltre 700 milioni di dollari in robotica avanzata e automazione. I robot MiR di Teradyne semplificano il trasporto interno e la movimentazione dei materiali, mentre i cobot supportano una vasta gamma di applicazioni. Le loro soluzioni di automazione consentono alle imprese di migliorare l’efficienza operativa integrando la potenza delle macchine.

Con una capitalizzazione di mercato di 18,74 miliardi di dollari, le azioni Teradyne attualmente scambiano a 116 $, in calo dell’8,61 % YTD. Il suo EPS (TTM) è 3,32, mentre il rapporto P/E (TTM) è 34,68. L’azienda paga un dividendo dello 0,42 %.

Per il Q4 2024, l’azienda ha riportato un fatturato di 753 milioni di dollari, di cui 98 milioni provenienti dalla robotica e il resto dal segmento semiconduttori. L’utile netto GAAP per il trimestre è stato di 146,3 milioni di dollari o 0,90 $ per azione diluita.

Il CEO Greg Smith ha attribuito questa crescita a una forte capacità di calcolo AI e alla relativa memoria, mentre i settori Mobile e Auto/Industrial hanno superato le aspettative. L’accelerazione dei ricavi è prevista per quest’anno, con Teradyne che pianifica di riallineare strategicamente il suo business Robotica per migliorare l’esperienza del cliente e guidare l’efficienza operativa.

3. Zimmer Biomet

Una società globale di tecnologia medica, Zimmer Biomet (ZBH ) è coinvolta in biologici, medicina sportiva, estremità, prodotti per trauma, prodotti chirurgici e una suite di tecnologie robotiche che utilizzano dati, analisi dei dati e IA. 

Con una capitalizzazione di mercato di 22 miliardi di dollari, le azioni Zimmer Biomet attualmente scambiano a 110,10 $, in aumento del 4,72 % YTD. Il suo EPS (TTM) è 5,25, mentre il rapporto P/E (TTM) è 21,07. L’azienda paga un dividendo dello 0,87 %.

Per il Q3 2024, la società ha riportato vendite nette di 1,824 miliardi di dollari, un aumento del 4 % rispetto al periodo dell’anno precedente, mentre l’utile netto è stato di 249,1 milioni di dollari. L’utile per azione diluita per il trimestre è stato di 1,23 $, mentre l’utile diluito rettificato per azione è stato di 1,74 $. Dopo questa “forte performance”, il CEO Ivan Tornos ha dichiarato che continueranno a far progredire la loro “missione di aiutare milioni di persone ad alleviare il dolore e migliorare la loro qualità di vita.” 

Durante questo periodo, l’azienda ha acquisito OrthoGrid Systems, una società di tecnologia medica focalizzata su sistemi di guida chirurgica basati su IA per la sostituzione totale dell’anca. È ora anche pronta ad acquisire Paragon 28, una società di dispositivi medici, in un accordo da 1,1 miliardi di dollari per il trattamento di patologie del piede e della caviglia.

Conclusione

Con la crescente domanda di automazione ed efficienza, cresce anche la popolarità della robotica. In questo contesto di forte crescita, il sotto‑campo della robotica morbida sta vivendo molte innovazioni, aprendo nuove applicazioni nella sanità, nell’esplorazione e nell’automazione industriale. 

L’evoluzione della robotica morbida — combinando l’adattabilità ispirata agli organismi viventi con l’energia incorporata — porta il potenziale per superare finalmente le limitazioni di durata ed efficienza energetica. Man mano che i ricercatori, supportati da iniziative governative, continuano a perfezionare il design dei robot e le fonti di energia multifunzionali, queste macchine stanno diventando una realtà, migliorando accessibilità, efficienza e sicurezza.

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