Molti sistemi robotici esistenti traggono ispirazione dalla natura, riproducendo artificialmente processi biologici, strutture naturali o comportamenti animali per raggiungere obiettivi specifici. Questo perché gli animali e le piante sono dotati intrinsecamente di abilità che li aiutano a sopravvivere nei rispettivi ambienti, e che potrebbero quindi migliorare le prestazioni dei robot anche al di fuori degli ambienti di laboratorio.
"I bracci robotici morbidi sono una nuova generazione di manipolatori robotici che traggono ispirazione dalle capacità di manipolazione avanzate esibite da organismi 'disossati', come tentacoli di polpo, proboscidi di elefanti, piante, ecc.", Enrico Donato, uno dei ricercatori che hanno effettuato lo studio, ha detto a Tech Xplore. “La traduzione di questi principi in soluzioni ingegneristiche si traduce in sistemi costituiti da materiali leggeri e flessibili che possono subire una deformazione elastica uniforme per produrre un movimento flessibile e abile. Grazie a queste caratteristiche desiderabili, questi sistemi si conformano alle superfici e mostrano robustezza fisica e funzionamento sicuro per l’uomo a costi potenzialmente bassi”.
Sebbene i bracci robotici morbidi possano essere applicati a un’ampia gamma di problemi del mondo reale, potrebbero essere particolarmente utili per automatizzare attività che comportano il raggiungimento di posizioni desiderate che potrebbero essere inaccessibili ai robot rigidi. Molti gruppi di ricerca hanno recentemente cercato di sviluppare controllori che consentissero a questi bracci flessibili di affrontare efficacemente questi compiti.
"In generale, il funzionamento di tali controller si basa su formulazioni computazionali in grado di creare una mappatura valida tra due spazi operativi del robot, vale a dire lo spazio del compito e lo spazio dell'attuatore", ha spiegato Donato. “Tuttavia, il corretto funzionamento di questi controller si basa generalmente sul feedback visivo che ne limita la validità all’interno degli ambienti di laboratorio, limitando l’impiego di questi sistemi in ambienti naturali e dinamici. Questo articolo è il primo tentativo di superare questa limitazione non affrontata ed estendere la portata di questi sistemi ad ambienti non strutturati”.
"Contrariamente al malinteso comune secondo cui le piante non si muovono, le piante si muovono attivamente e intenzionalmente da un punto all'altro utilizzando strategie di movimento basate sulla crescita", ha detto Donato. “Queste strategie sono così efficaci che le piante possono colonizzare quasi tutti gli habitat del pianeta, una capacità che manca nel regno animale. È interessante notare che, a differenza degli animali, le strategie di movimento delle piante non derivano da un sistema nervoso centrale, ma piuttosto derivano da forme sofisticate di meccanismi informatici decentralizzati”.
La strategia di controllo alla base del funzionamento del controller dei ricercatori cerca di replicare i sofisticati meccanismi decentralizzati alla base dei movimenti delle piante. Il team ha utilizzato specificamente strumenti di intelligenza artificiale basati sul comportamento, che consistono in agenti informatici decentralizzati combinati in una struttura dal basso verso l’alto.
"La novità del nostro controller bio-ispirato risiede nella sua semplicità, in cui sfruttiamo le funzionalità meccaniche fondamentali del braccio morbido del robot per generare il comportamento complessivo di raggiungimento", ha affermato Donato. “Nello specifico, il braccio robotico morbido comprende una disposizione ridondante di moduli morbidi, ciascuno dei quali viene attivato tramite una triade di attuatori disposti radialmente. È noto che per una tale configurazione il sistema può generare sei direzioni principali di flessione”.
Gli agenti informatici alla base del funzionamento del controller del team sfruttano l'ampiezza e la tempistica della configurazione dell'attuatore per riprodurre due diversi tipi di movimenti delle piante, noti come circumnutazione e fototropismo. Le circumnutazioni sono oscillazioni comunemente osservate nelle piante, mentre il fototropismo sono movimenti direzionali che avvicinano i rami o le foglie di una pianta alla luce.
Il controller creato da Donato e dai suoi colleghi può alternare questi due comportamenti, ottenendo il controllo sequenziale dei bracci robotici che si estendono su due fasi. La prima di queste fasi è una fase di esplorazione, in cui le braccia esplorano l'ambiente circostante, mentre la seconda è una fase di raggiungimento, in cui si muovono per raggiungere la posizione o l'oggetto desiderato.
"Forse l'aspetto più importante di questo particolare lavoro è che questa è la prima volta che bracci robot morbidi ridondanti sono stati abilitati a raggiungere capacità al di fuori dell'ambiente di laboratorio, con un quadro di controllo molto semplice", ha affermato Donato. “Inoltre, il controller è applicabile a qualsiasi softrobotil braccio forniva una disposizione di attuazione simile. Questo è un passo verso l’uso di strategie di rilevamento integrato e di controllo distribuito nei robot continui e morbidi”.
Finora, i ricercatori hanno testato il loro controller in una serie di test, utilizzando un braccio robotico modulare, leggero e morbido, guidato da un cavo, con 9 gradi di libertà (9-DoF). I loro risultati sono stati molto promettenti, poiché il controller ha consentito al braccio sia di esplorare l’ambiente circostante sia di raggiungere una posizione target in modo più efficace rispetto ad altre strategie di controllo proposte in passato.
In futuro, il nuovo controller potrebbe essere applicato ad altri bracci robotici morbidi e testato sia in laboratorio che nel mondo reale, per valutare ulteriormente la sua capacità di affrontare i cambiamenti ambientali dinamici. Nel frattempo, Donato e i suoi colleghi intendono sviluppare ulteriormente la loro strategia di controllo, in modo che possa produrre ulteriori movimenti e comportamenti del braccio robotico.
"Stiamo attualmente cercando di migliorare le capacità del controller per abilitare comportamenti più complessi come il tracciamento del bersaglio, l'attorcigliamento dell'intero braccio, ecc., per consentire a tali sistemi di funzionare in ambienti naturali per lunghi periodi di tempo", ha aggiunto Donato.
Orario di pubblicazione: 06-giu-2023