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Robot ispirati alla natura

Perchè ispirarsi alla natura

L’Italia si conferma un Paese leader nel settore della ricerca Robotica  senz’altro tra le più avanzate in Europa e attualmente la robotica “classica” si caratterizza anche per essere bioispirata e biomimetica con soluzioni tecnologiche che vengono ispirate dalla natura.

Biorobotica e soft-robotics sono campi di ricerca che si occupano di osservare e studiare dei sistemi biologici, partendo dai più semplici ai più complessi nella scala evolutiva, i materiali, le forme e le strutture per applicare, anche in ambito robotico, soluzioni tecnologiche innovative ed efficaci secondo una logica essenzialmente funzionale.

Una nuova generazione di robot soffici che trae ispirazione dal mondo animale e vegetale, diversi da quelli che tradizionalmente conosciamo e che si caratterizzano per essere dotati  di corpi fisici che meglio si adattano all’ambiente in cui dovranno operare. Ci sono robot che si ispirano agli animali marini come polpi, meduse ed anche pesci e robot che traggono ispirazione dalle piante.

Perché ricorrere agli insegnamenti che la natura ci offre? Semplicemente possiamo sostenere che i sistemi biologici sono i migliori risolutori di problemi pratici che derivano dal loro rapporto con l’ambiente in quanto sono il prodotto di un complesso processo evolutivo che nell’arco temporale di miliardi di anni ha creato organismi viventi che meglio si adattano.  

Attualmente progettare e realizzare macchine dotate di reale autonomia è un problema ancora non del tutto risolto e i ricercatori robotici sostengono che la sola progettazione a livello ingegneristico non può portare in modo soddisfacente alla soluzione di problemi complessi. Occorre superare le difficoltà che derivano, non solo dalla gestione e coordinamento delle diverse componenti strutturali del sistema, ma anche  dalle complessità operative derivanti dall’incertezza che caratterizza le azioni che si produrranno nell’interazione dei sistemi con l’ambiente esterno (dinamico ed incerto).

In tal senso il riferimento al paradigma biologico è fondamentale in quanto solo gli organismi viventi sono  sistemi autonomi che presentano un grado di complessità e robustezza che li rendono efficienti ed adeguati per adattarsi alle caratteristiche ambientali.

Apro una  parentesi per ricordare una lettura alla  quale faccio volentieri riferimento. Un saggio scritto nel 1922 da Pavel Florenskij, un pensatore originale, teologo, filosofo e matematico, dal titolo Organoproekcija (La proiezione degli organi), pubblicato postumo solo nel 1969 sulla rivista russa d’arte «Dekorativnoe Iskusstvo»  dove ritroviamo la tecnica come proiezione degli organi. Sorprendente resta ancora la sua attualità  in quanto ha saputo anticipare  prospettive tutt’ora attuali, come quelle sulle biotecnologie o sul concetto di autopoiesi della vita. Stimolanti le proposte che ritroviamo in questo suo lavoro, datate ormai di quasi un secolo fa: riflessioni sulla circolarità tra “macchine interne” e “macchine esterne”, cioè tra organismi naturali e artefatti, tra vita e tecnologia. Florenskij osserva infatti che: “gli oggetti si fabbricano a partire dalla vita organica profonda e non da quella superficiale e in profondità ciascuno di noi ha potenzialmente nel suo corpo diversi organi non svelati, che può però svelare in proiezioni tecniche “. Se lo studio degli organismi è la chiave delle invenzioni tecnologiche, allora anche, al contrario, le invenzioni tecniche possono essere considerate come il reagente per la conoscenza di se stessi. La tecnologia può e deve ispirare la biologia, così come la biologia deve ispirare la tecnica. Ne consegue che lanatura può essere analizzata con gli strumenti che appartengono alla tecnica e, viceversa, la tecnica tende a naturalizzarsi sempre più.

Soft Robotics

Uno degli ambiti di ricerca robotica senz’altro più attuali è rappresentato dalla realizzazione di sistemi robotici sempre più soft,  i “robot morbidi”. La Soft Robotics è un’area interdisciplinare che ha l’obiettivo di realizzare robot che siano in grado di interagire con l’ambiente e l’uomo in modo sicuro e per questo realizzati  con materiali   biomimetici “intelligenti” che si caratterizzano per essere dotati di parti “morbide”, meccanismi flessibili e deformabili.

La natura rispetto all’uomo si avvale di circa 3,8 miliardi di anni in fatto di ricerca e sviluppo e dispone di materiali dalle prestazioni straordinarie. Certamente una lezione fondamentale per chi si occupa di ingegneria dei materiali che tiene conto del fatto i sistemi naturali hanno saputo ottimizzare nel tempo i materiali, l’efficienza delle forme e della meccanica dei movimenti.

A livello sensoristico sono ancora i sistemi biologici a fornirci i migliori suggerimenti : per esempio dallo studio del tatto degli animali i ricercatori robotici possono trovare e sviluppare sistemi sensoriali per robot indubbiamente più avanzati ed efficaci.

Tutte innovazioni che traggono ispirazione dal mondo animale, in particolare dallo studio delle specie in ambiente marino come polpi, meduse e diverse specie di pesci. Dalla biologia marina emergono interessanti osservazioni che sono fonte di inspirazione per lo sviluppo di robot in grado di introdurre soluzioni ingegneristiche innovative con applicazioni nel settore della robotica marina, per il monitoraggio ambientale, l’esplorazione e la manutenzione dell’ambiente acquatico. Ma non solo gli animali sono una fonte di ispirazione  ed altre soluzioni sono offerte dalla biologia vegetale, in particolare  dalle piante.

Perché tutto questo interesse da parte dei ricercatori robotici? Senz’altro a livello progettuale le ragioni principali sono essenzialmente nella maggiore libertà a livello di  movimento potendo il robot-soft, composto da materiali cedevoli, agevolmente allungarsi e torcersi con grande naturalezza, nella possibilità di avere più presa e per garantire una maggiore sicurezza nell’interazione con l’uomo e l’ambiente.

La ricerca

In Italia non mancano  centri di eccellenza che si occupano della soft-robotics con risultati che ci collocano tra i Paesi  con progetti di ricerca all’avanguardia e competitivi a livello internazionale.

Cecilia Laschi, della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e con lei Barbara Mazzolai, che coordina invece il Centro di Micro-BioRobotica dell’Istituto italiano di Tecnologia a Pontedera, recentemente sono state entrambe  inserite nella speciale classifica delle 25 scienziate geniali al mondo che “hanno dato un contributo decisivo alla robotica”, stilata da RoboHub, la maggiore comunità scientifica internazionale degli esperti di robotica

Dal 25 al 30 aprile  Livorno  ha ospitato l’edizione 2016 della Soft Robotics Week, la “Settimana mondiale della robotica “soft”. Un evento organizzato, nell'ambito del progetto europeo RoboSoft, dall’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa  e il Centro di ricerca sulle tecnologie del mare e la robotica marina, in collaborazione con l'Istituto Italiano di Tecnologia (Iit). Una delle novità dell’evento è stata la prima gara internazionale dedicata ai robot soft. Provenienti. da otto Paesi  a rappresentare l'Italia Simba, l'unico italiano fra i 17 automi, un robot soffice dall'aspetto di un cilindro realizzato dall'Iit. Oto, Pac Bot, Simba sono scesi in campo per competere e confrontarsi in gare di abilità legate alla manipolazione di oggetti e nella capacità di muoversi in maniera rapida su terreni ed evitare gli ostacoli.

Plantoid

Ci sono anche i robot che traggono ispirazione dalle piante, i  plantoidi,  che sono in grado di imitare il comportamento delle radici grazie alla presenza di specifici sensori. Plantoid  è una delle piattaforme di ricerca all’interno del  programma Robotics dell’Istituto italiano di Tecnologia e  dalle straordinarie potenzialità operative: si tratta del primo robot al mondo che trae ispirazione dalle piante con applicazioni nell’esplorazione del sottosuolo e nella bonifica ambientale. Il progetto  è coordinato da Barbara Mazzolai, Direttrice del Center for Micro-BioRobotics dell’Istituto Italiano di Tecnologia a Pontedera (Pisa), dove dal 2012   si occupa del comportamento degli apici radicali in sistemi biologici con l’obiettivo di realizzare   prototipi di radici robotiche capaci di imitarle.

Ogni robot-pianta, così come avviene per gli apparati radicali in natura, si avvale di un apice radicale “intelligente” dotato, come ogni sistema robotico, di sensori miniaturizzati, attuatori, unità di controllo e di un tronco. Le radici “intelligenti” sono la parte più innovativa del progetto in quanto in grado di  percepire e  condividere tra le parti del sistema, attraverso specifici sensori,  i diversi stimoli fisici come la gravità , luce, acqua e temperatura. Sono capaci di riconoscere anche la presenza di sostanze utili, ma anche dannose come gli inquinanti del terreno.

“Ogni radice sarà dotata di sensori per analizzare il terreno e sarà capace di muoversi in maniera sinuosa accrescendosi di 2 millimetri al secondo in risposta agli stimoli esterni: lo farà aggiungendo materiale alla punta, come fanno le radici vere per superare la pressione e l’attrito del suolo”  come spiega Barbara Mazzolari.

Il risultato è sorprendente: le radici del robot-pianta  “crescono” attraverso filamenti specifici, si muovono e si allungano e sono altresì in grado nei loro movimenti di aggirare gli ostacoli.

Il plantoide è formato da un tronco al quale sono collegate cinque braccia, le radici artificiali, ed utilizza per il suo fabbisogno energetico piccoli pannelli solari che sono collocati sul tronco come “foglie”.

Delle caratteristiche innovative di questo robot-pianta ci interessa la capacità di penetrare ed esplorare e la ricerca intravede già possibili scenari di sviluppo e di applicazione. Potrebbero essere di grande aiuto per l’uomo anche in ambito biomedico e i ricercatori sono impegnati in  progetti per realizzare innovativi apparecchi endoscopici, per la ricerca nel sottosuolo di giacimenti di metalli e idrocarburi utilizzando innovative sonde adatte per questi compiti.  

Attualmente quali utilizzi ha questa pianta artificiale? Senz’altro per esplorare e monitorare il suolo con problemi di inquinamento causati soprattutto da attività antropiche e attraverso le sue radici artificiali riconoscere la natura degli agenti inquinanti e pertanto per scopi di bonifica dei suoli.

Robot-polpo

Il mondo animale fornisce un’ampia gamma di ispirazione per gli esperti di biorobotica e bionica e  Cecilia Laschi, professore ordinario di Bioingegneria Industriale all’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, usa il polpo come modello animale per la realizzazione di robot dotati di parti morbide.

Obiettivo del progetto è quello di  realizzare un robot totalmente realizzato con materiali “soft” che trae ispirazione dal polpo (Octopus vulgaris), per comprendere i principi che sono alla base delle straordinarie capacità senso-motorie del polpo al fine di poterli applicare   nella realizzazione di un sistema robotico basato sulla sua stessa anatomia.

Perché proprio il polpo ha suscitato così tanto interesse? La risposta la troviamo nelle sue peculiari caratteristiche di funzionalità muscolari, controllo nervoso, capacità motorie e sensoriali . Aggiungiamo a queste caratteristiche un comportamento veramente straordinario essendo capace di muoversi con grande agilità, velocità e nel contempo di controllo dell’ambiente marino.

Il polpo non è dotato  di strutture rigide ed è pertanto in grado di utilizzare  aperture molto strette adatte per introdursi in  ambienti angusti  e impraticabili per l’uomo e i tradizionali robot. Possiede otto braccia capaci di ruotare, allungarsi e flettersi in ogni direzione. La sua struttura muscolare è unica e gli permette di variare la propria rigidezza e può, all’occorrenza, esercitare notevoli forze, ma anche manipolare oggetti con grande precisione.

«La sfida è quella di imitare i principi grazie ai quali un muscolo si contrae e si irrigidisce, cioè i meccanismi basilari per funzioni come la locomozione e la manipolazione di oggetti».

È come se, dice Cecilia Laschi, avesse più neuroni nei tentacoli che nel cervello, quasi un cervello sparpagliato nelle braccia, ciò che lo rende un soggetto interessante sia per capacità motorie che per comportamento intelligente. Grazie alla sua struttura flessibile il polpo riesce infatti ad adattare il proprio corpo all’ambiente, torcendosi, allungandosi, curvando il braccio in qualsiasi direzione.

La creazione di una nuova generazione di robot con braccia dalla struttura soft e flessibile in grado di manipolare con molta precisione , ma anche destrezza, velocità e controllo, dicono i ricercatori, potrà un giorno garantire alte prestazioni nella mobilità.  Ai fini pratici l’ideale per compiti di manutenzione,  salvataggio ed esplorazione dei fondali marini (dove il polpo robot potrà agevolmente muoversi e introdursi in ambienti angusti e impraticabili). In ambito medico il Robot-polpo potrebbe diventare un ottimo strumento chirurgico  che riesce a entrare nel corpo umano e con grande cautela saper aggirare delicatamente gli organi per arrivare al punto dove intervenire, ma anche saper comunicare le sensazioni tattili percepite dai propri sensori al chirurgo.

Le aspettative sono tante e la soft-robotics è una tecnologia giovane, ma nel contempo promettente ed innovativa. Non  ci resta che attendere e vedere cosa accadrà nei prossimi 20 anni per conoscere le concrete opportunità che sarà in grado di fornire a beneficio dell’uomo nell’ottica di una fattiva convergenza tra robotica tradizionale “rigida”e uso di componentistica soft.

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