Robot morbidi semi-autonomi pronti a salvare vite

Quando pensi ai robot, probabilmente immagini una macchina rigida in grado di svolgere compiti o assisterti nelle tue attività. Tuttavia, un’altra classe di robot continua a suscitare interesse e a introdurre innovazione: i robot morbidi. Questi dispositivi unici possono modificare forma e azioni per affrontare numerosi compiti. Ecco cosa devi sapere.

Cosa sono i robot morbidi e perché sono rivoluzionari?

Il settore della robotica morbida è un mercato entusiasmante che continua a registrare enormi miglioramenti e innovazioni. Molti considerano questi dispositivi la chiave per gli sforzi di soccorso in caso di catastrofi. La natura morbida e regolabile di queste unità consente loro di infilarsi attraverso piccoli fori e tubi quando necessario, permettendo al robot di raggiungere le posizioni più difficili che altrimenti sarebbero impossibili da raggiungere con le opzioni tradizionali.
I robot morbidi sono costruiti con materiali flessibili che consentono loro di modificare e piegare la struttura secondo le necessità. Questi dispositivi si presentano in molte forme: alcuni sono progettati per strisciare nei tubi come un serpente, mentre altri possono piegarsi o arrotolarsi in una palla, offrendo un accesso superiore quando la situazione lo richiede.

Principali sfide che ostacolano lo sviluppo dei robot morbidi

I robot morbidi non sono perfetti. Il loro design intrinseco e i materiali rendono la creazione di questi dispositivi un equilibrio tra prestazioni e posizionamento dei componenti in aree dove non ostacolino la flessibilità. In passato, gli ingegneri limitavano l’elettronica usata per ridurre la rigidità delle loro componenti robotiche morbide.

Ridurre i sensori integrati presenti in questi sistemi aiuta a eliminare schede rigide e servomotori, ma comporta anche che tali dispositivi siano solitamente limitati a sistemi di comunicazione unidirezionali. Questi sistemi sono il modo in cui il pilota guida il robot attraverso terreni accidentati.

Riconoscendo le limitazioni di questo approccio, un team di ingegneri creativi provenienti da diverse istituzioni di ricerca leader ha proposto un design migliorato di robot morbidi che riduce la rigidità e aumenta le prestazioni in tutti gli ambiti.

Studio rivoluzionario svela robot morbidi più intelligenti e flessibili

Lo studio “Robot morbido programmabile integrato nel sistema wireless e multifunzionale“¹ pubblicato su Nano-Micro Letters introduce un nuovo concetto di robot morbido più capace e conveniente rispetto alle opzioni precedenti. Nell’ambito delle capacità potenziate del robot, il team ha introdotto una serie di sensori che consentono al dispositivo di prendere decisioni semi-autonome basate sulla situazione e sull’ambiente circostante.

Fonte – Jennifer M. McCann

All’interno del design dei robot morbidi di nuova generazione

Come parte del nuovo design del robot morbido, il team ha iniziato ricreando la disposizione del robot morbido da zero. Hanno capito che dovevano realizzare il dispositivo in modo da consentire molteplici forme e movimenti con un consumo energetico minimo. Per raggiungere questo obiettivo, hanno integrato matrici composite morbide magneticamente responsivi con elettronica multifunzionale deformabile.

Come gli ingegneri mantengono la flessibilità nei robot morbidi avanzati

Mantenere i robot morbidi flessibili è una questione importante per designer e ingegneri. Ogni volta che aggiungi un chip, un sensore, una batteria o un servomotore, limiti notevolmente la flessibilità di quella parte del robot. Di conseguenza, i robot morbidi più capaci di solito hanno meno flessibilità poiché i loro componenti centrali non possono piegarsi senza guasti.
Il team ha trascorso molto tempo a dibattere sul circuito wireless ideale, sui sensori e sui dispositivi. Da lì, è stato compito degli ingegneri determinare la posizione migliore per questi dispositivi che avrebbero influenzato il movimento. Alla fine, è stato concordato un layout specifico che ha distribuito l’elettronica in modo da consentire al bot di adattarsi completamente e persino arrotolarsi in una palla quando necessario.

Movimento controllato magneticamente: come si muovono questi robot morbidi

Gli ingegneri hanno poi dovuto capire come fornire al robot la capacità di modificare la sua forma. Per questo passo, si sono rivolti a diversi composti magnetici. In particolare, i composti magnetici sono preparati mescolando i WcMPs sintetizzati con un elastomero siliconico e un agente di indurimento.

Da lì, è stato usato un laser per patternare i compositi morbidi magnetici prima di applicare calore. Il passo successivo ha richiesto agli ingegneri di programmare un campo magnetico esterno (200 mT) per ruotare e allineare la direzione delle particelle magnetiche incorporate. Infine, i magneti appena creati sono stati lasciati raffreddare.

Questi magneti progettati appositamente sono stati concepiti per subire una transizione di fase a bassa temperatura, consentendo agli ingegneri di invertire la polarità magnetica in pochi secondi. Regolando l’intensità e la direzione del campo, il team può far eseguire al robot determinati compiti e forme. Hanno osservato che il dispositivo poteva piegarsi, torcersi e strisciare usando questo metodo.

Guidare i robot morbidi con precisione usando campi magnetici

Il laboratorio ha creato un materiale magnetico incorporato nella struttura flessibile dell’unità. Questa azione ha permesso agli ingegneri di controllare il dispositivo utilizzando campi magnetici. Gli ingegneri hanno applicato il campo tramite magneti portatili e generatori di campi elettromagnetici.
In particolare, è stato scelto un magnete permanente NdFeB commerciale e un elettromagnete cilindrico personalizzato come metodo migliore per applicare un campo magnetico esterno. Questi dispositivi generano una forza sufficiente a muovere il robot morbido magnetico.

Sensori integrati che rendono i robot morbidi semi-autonomi

Al centro di questa ricerca c’era il desiderio di creare i primi robot morbidi semi-autonomi. Questi dispositivi avrebbero integrato una suite di sensori che consentirebbe loro di prendere decisioni basate sull’ambiente. Ad esempio, l’unità potrebbe essere impostata per rispondere a variazioni di temperatura, ostacoli o vincoli di tempo.

Superare le interferenze magnetiche nell’elettronica dei robot morbidi

Gli ingegneri sapevano che l’interazione dei magneti avrebbe introdotto nuove problematiche, soprattutto le interferenze. I campi magnetici sono ottimi per attivare i magneti ma non altrettanto per l’interferenza elettronica. Questi campi possono disturbare le funzioni elettroniche e creare caos.
Perciò, gli ingegneri hanno dedicato molto tempo a determinare il layout elettronico ideale. Sono riusciti a stabilire la migliore posizione per sensori e chip in base ai livelli di interferenza e alla pre-forza. Questo passo ha garantito che il robot morbido non fallisse improvvisamente quando cambiava forma e alterava le sue proprietà elettromagnetiche.

Testare le capacità dei robot morbidi in ambienti reali

Per dimostrare le capacità dei loro robot morbidi, il team ha allestito un piccolo percorso a ostacoli. Il minuscolo dispositivo alimentato magneticamente è stato in grado di attraversare una varietà di terreni e ostacoli completando con successo il percorso. Il robot è visibile in un video pubblicato che attraversa il terreno modificando forma e disposizione.