Come la robotica può prendere spunto dalla natura

Da fonte di divertimento per gli scrittori di fantascienza a diventare uno strumento di sviluppo per la società umana, robot e robotica hanno percorso una lunga distanza. 

Tra il 2016 e il 2028, il mercato globale della robotica dovrebbe crescere da quasi US$23 miliardi a più di US$45 miliardi. Durante la sua nascita, la robotica era considerata qualcosa che sarebbe rimasto limitato agli spazi industriali. 

Al contrario, più della metà del mercato della robotica ora comprende la robotica di servizio. Oggi i robot trovano ampio impiego nell’industria automobilistica, chimica, elettrica/elettronica, alimentare, medica e altro ancora. In modo più innovativo, i fornitori di robotica stanno garantendo il loro utilizzo in campi più tradizionali come l’agricoltura, il lavoro domestico e l’intrattenimento. 

Sebbene sia vero che il ruolo della robotica sia stato trasformativo in molti settori convenzionali, può apprendere qualcosa dal mondo che ci circonda? Oggi esamineremo da vicino gli scenari in cui la robotica può prendere spunto dalla natura. 

Come la robotica bio‑ispirata può arricchirsi dai coleotteri rotatori

Conosciuti come gli insetti più veloci nuotatori al mondo, i coleotteri rotatori possono raggiungere un’accelerazione di 100 metri al secondo e una velocità massima di 100 lunghezze del corpo al secondo, ovvero 1 metro al secondo, per essere precisi. Ma come ottengono tale velocità e accelerazione?

La loro strategia di volo è stata studiate dai ricercatori e pubblicata sulla rivista Current Biology. Lo studio è stato intitolato “Whirligig Beetle Uses Lift‑Based Thrust for Fastest Insect Swimming”. 

La ricerca ha impiegato due telecamere ad alta velocità sincronizzate da angolazioni diverse. Il risultato è stato il video che dettagliava il meccanismo di volo: spinta basata sul sollevamento. Funzionava in modo simile a una elica, con il movimento di spinta che si svolgeva perpendicolarmente alla superficie dell’acqua. Il meccanismo aiuta a eliminare la resistenza e fornisce più slancio per una maggiore velocità. 

Perché questa scoperta è importante? Sebbene sia vero che la spinta basata sul sollevamento fosse già stata identificata in organismi di grandi dimensioni, questo studio dimostra che il fenomeno si applica a una scala di lunghezza così piccola come 1 centimetro. 

Secondo Chris Roh, Assistant Professor of Biological and Environmental Engineering al College of Agriculture and Life Science, questa scoperta parla alla robotica bio‑ispirata e ad altre comunità ingegneristiche affinché identifichino prima la fisica corretta e poi cerchino di preservare quella fisica nella creazione della robotica. 

Più specificamente, Roh crede che questo fenomeno possa trovare impiego nello sviluppo di navi robotiche senza equipaggio, che potrebbero essere molto più piccole e flessibili sfruttando i meccanismi di propulsione che generano sollevamento dei coleotteri rotatori. Gli Stati Uniti stanno sviluppando tali imbarcazioni che saranno libere dai vincoli di dover ospitare un equipaggio. 

Questa ricerca ci spinge a vedere la robotica sotto una nuova luce. È sempre possibile prendere spunto dalla natura e ingegnerizzarla al contrario in design umano‑meccanici. Abbiamo trovato altri esempi di questa sinergia tra natura/umani e macchina. 

Robot Ispirato al Polpo, Acclamato come il Futuro della Robotica Morbida

Creato nel 2016 da Cecilia Laschi, professoressa presso il BioRobotics Institute di Sant’Anna a Pisa, Italia, il robot ispirato al polpo era estremamente flessibile e poteva reagire all’ambiente con molta più sensibilità e precisione rispetto alla maggior parte degli altri robot morbidi sviluppati fino a quel momento. Nelle parole di Laschi:

“Questo campo di ricerca relativamente nuovo ha il potenziale di sconvolgere le nostre idee su ciò di cui i robot sono capaci e dove possono essere utili.”

Il robot, che richiedeva molta meno potenza di calcolo e si dimostrava molto più abile a muoversi su terreni accidentati, poteva aspirare liquidi e poi espellerli dal suo corpo. Poteva correre sul fondo marino ruvido usando tutte le sue otto zampe. 

Il robot è stato costruito con polimeri elettro‑attivi che si contorcono quando esposti all’elettricità. Ha superato con successo i test nel Mediterraneo all’inizio del 2016. Il suo sviluppo ha aiutato il campo della robotica morbida a fare molti più progressi da allora. 

In un caso, nel 2017, l’Università di Harvard ha creato l’Octobot, un robot morbido con tutti i componenti meccanici sostituiti da sistemi morbidi analoghi. È stato stampato in 3D e presentava canali incisi che facilitavano il controllo di potenza e movimento, alimentato da pneumatici a gas. 

Oltre agli sviluppi ispirati al polpo, la robotica bio‑ispirata ha imitato anche altri animali. Gli ingegneri dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, ad esempio, hanno sviluppato un robot che imitava il movimento di una salamandra. 

Un altro team di ricercatori ha tratto ispirazione dai serpenti. Grazie alle loro proprietà di attraversare terreni complessi e intricati, questi robot potrebbero rivelarsi utili nell’esplorazione spaziale. 

Pleurobot e Snakebot: Robotica che Ha Reso Possibili Movimenti Complessi

Il Pleurobot trae ispirazione dal movimento di una salamandra. Possiede una vertebra unica che aiuta il robot a strisciare dentro e fuori dall’acqua. Ha 11 segmenti spinali. Dal punto di vista della visione, lo sviluppo del robot mirava a ri‑stimolare il modo in cui funziona il midollo spinale umano così come il modo in cui il cervello interagisce con esso. 

Imitare il movimento di una salamandra tramite un robot è stato un importante passo avanti perché le salamandre possono passare da strisciare a camminare a nuotare eseguendo lo stesso movimento, cambiando solo la velocità. Tali innovazioni potrebbero rivelarsi trasformative e rivoluzionarie quando applicate a macchine e robot. 

Lo Snakebot, invece, è frutto del lavoro di un gruppo di ricercatori della Carnegie Mellon University. Hanno puntato a sviluppare un robot che emulasse il movimento di un serpente strisciando attraverso terreni difficili, tra macerie e intorno a ostacoli. Il robot era lungo 37 pollici, con un diametro di 2 pollici e disponeva di 16 giunti. L’ultima volta segnalato, la NASA aveva impiegato questi robot nei suoi progetti di esplorazione spaziale. 

Con questi sviluppi e molti altri, i robot che prendono spunto dalla natura, noti anche come robotica bio‑ispirata, sono diventati importanti. Il Massachusetts Institute of Technology, una delle istituzioni più ammirate al mondo per l’ingegneria, offre un corso in robotica bio‑ispirata nel suo dipartimento di ingegneria meccanica. 

Il corso intende incoraggiare un “approccio interdisciplinare al design bio‑ispirato, con enfasi sull’estrazione di principi applicabili a vari campi di ricerca robotica, come robotica, protesi e tecnologie assistive per l’uomo.”

Non solo le grandi istituzioni sono interessate, ma anche le grandi aziende tecnologiche stanno partecipando con grande entusiasmo alla robotica bio‑ispirata. Per esempio, Boston Dynamics, azienda acquisita da Hyundai nel 2021 per un valore di US$1,1 miliardi, ha sviluppato un robot che copia un cane per svolgere molte attività difficili. La macchina a quattro zampe è stata chiamata Spot. 

1. Spot di Boston Dynamics: Un Robot a Quattro Zampe che Copia un Cane

Sviluppato come un cane giallo senza testa, Spot, di Boston Dynamics, può salire in salita e navigare le scale. Il dispositivo è stato venduto a US$74.500. Ha servito a molti scopi, dall’ispezione di fabbriche, cantieri e ambienti pericolosi, fino alla capacità di salire e percorrere le scale. 

Spot è ora in grado di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, senza interventi. Può ricaricarsi autonomamente e ricalcolare dinamicamente il percorso attorno a nuovi ostacoli. Secondo i dati ufficiali, i robot Spot hanno raggiunto più di 1.000 clienti fino ad oggi. 

Spot serve una gamma di settori, tra cui manifatturiero, energia e risorse naturali, costruzione, accademia e istruzione, e governo. 

Dopo che Hyundai ha concluso il suo accordo per prendere il controllo di Boston Dynamics, ha posseduto una quota dell’80 percento della società. SoftBank, tramite una delle sue affiliate, deteneva il restante 20 percento. 

Hyundai ha pubblicato i suoi bilanci consolidati per il 2022 il 21 marzo 2023. L’azienda ha guadagnato 6.126.969 milioni di won coreani nel 2022, un notevole aumento rispetto ai 3.782.498 milioni di won coreani guadagnati nel 2021. I dividendi pagati nel 2022 sono stati 7.207 milioni. 

2. Acquisizione di SevenSense da parte di ABB: Una Svolta nello Sviluppo di Robot Ispirati alla Natura

ABB, un altro colosso globale della robotica, ha recentemente acquistato Sevensense, una start‑up svizzera specializzata nel potenziare la mobilità dei robot industriali. In particolare, SevenSense sviluppa e produce sistemi robotici dotati di sensori e IA che hanno funzionalità di “occhio” e “cervello” per muoversi all’interno degli impianti e attraversare l’intero spazio della fabbrica. 

Le soluzioni non resteranno limitate alle linee di produzione tradizionali che solitamente utilizzano strisce magnetiche fisse. Questi robot possono spostare 2 tonnellate di materiale a velocità di 1,5 metri al secondo. Sono dotati di sei telecamere. Secondo Sami Atiya, responsabile della robotica e dell’automazione discreta di ABB:

“Con il vecchio sistema, quando dovevi modificare una linea di produzione di 100 metri, aggiungendo una nuova cella di produzione, per esempio, era impossibile deviare il robot. Ora possiamo farlo facilmente.”

Secondo il suo ultimo rapporto finanziario disponibile, ABB ha registrato un fatturato annuo di US$29,4 miliardi nel 2022, rispetto a US$28,9 miliardi nel 2021.

3. Motobot di Yamaha Ispirato al Cavaliere Umano

Non solo gli animali marini e i nostri amici a quattro zampe, ma i robot prendono spunto anche da noi esseri umani. Il progetto unico di Yamaha, Motobot, mira a creare un robot umanoide ideale per operare un veicolo non modificato per l’uso autonomo. Motobot può operare autonomamente il veicolo raccogliendo dati dalla velocità del veicolo, dal regime del motore, dall’atteggiamento della macchina e parametri simili. 

Yamaha prevede di potenziare Motobot, in futuro, con GPS ad alta precisione, sensori, ecc., affinché abbia capacità di riconoscimento della posizione della macchina e prenda decisioni più prudenti sulle linee migliori da percorrere in una pista da corsa e sui limiti di prestazione della motocicletta. 

Per sviluppare Motobot, Yamaha ha collaborato con SRI International, un importante istituto di ricerca globale. La visione è trarre ispirazione e conoscenza dalle tecnologie sottostanti attive nello sviluppo di MOTOBOT, come il controllo robotico e la creazione di interfacce uomo‑macchina. 

Secondo il suo ultimo rapporto annuale disponibile per l’FY 2022, Yamaha ha registrato un fatturato di oltre 408 miliardi di yen giapponesi nell’anno, con un profitto operativo di base di 43 miliardi di yen giapponesi. 

Una Lista di Sviluppi Infinita

Nel nostro breve lasso di tempo, potremmo discutere molteplici esempi rivoluzionari in cui la robotica ha tratto significativa ispirazione dalla natura. Tuttavia, una ricerca delle pubblicazioni disponibili mostra che era solo la punta dell’iceberg. La robotica, come flusso di studio, ricerca, sviluppo e applicazione, ha tratto notevolmente dalla natura e continuerà a farlo. 

I droni robotici, per esempio, sono ispirati in modo significativo dagli uccelli. Non solo per il loro meccanismo di volo, gli uccelli ispirano anche i droni a volare efficacemente in condizioni meteorologiche avverse e con forti venti. 

Uccelli subacquei hanno portato alla creazione dell’Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) presso il Aerial Robotics Laboratory dell’Imperial College London. Questi AquaMAV possono immergersi in acqua ad alta velocità, riemergere e espellere acqua tramite un getto. Queste soluzioni trovano impiego in vari casi, tra cui la raccolta di campioni d’acqua per missioni di soccorso o esplorazione subacquea.

Le farfalle hanno ispirato micro‑robot a possedere una particolare struttura alare che potrebbe aiutarli a volare più lontano ed evitare incidenti. 

Boston Dynamics, una delle aziende già discusse, ha un altro robot chiamato Atlas, che è un umanoide bipede intelligente. 

Jessiko è un robot subacqueo che utilizza pinne per attraversare l’acqua. DelFly Micro è un robot a 3,07 grammi con ali battenti che, come suggerisce il nome, è ispirato alla mosca. Il mondo ha anche assistito all’avvento di robot morbidi a quattro zampe stampati in 3D ispirati alle tartarughe. 

La natura conta milioni di animali e insetti. Le capacità evolutive di questi animali e insetti li rendono capaci di fare cose straordinarie. Gli esseri umani non fanno eccezione. Imparare come funzionano questi corpi aprirebbe molte opportunità per i robot. 

Molte attività che richiedono agli esseri umani di recarsi in luoghi rischiosi potrebbero essere svolte da questi robot. Questi robot non solo possono completare tali compiti, ma possono farlo a velocità e efficienza maggiori, con molta finezza e precisione. Possono aiutare a svolgere molte attività ripetitive, creando più tempo per il cervello umano per fare ciò che sa fare meglio: ideare e creare nuove cose per far progredire la civiltà. 

Clicca qui per l’elenco delle dieci migliori aziende di robotica.