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Io Uomo tu Robot
Soft Robotics per i robot del futuro

La robotica è un ambito di ricerca in continua crescita ed un  notevole sviluppo ha caratterizzato il settore industriale dove è ora possibile progettare robot in grado di svolgere compiti in modo che uomo e robot possono agevolmente collaborare e condividere lo spazio operativo. E’ possibile suddividere le operazioni da eseguire lasciando al robot quelle più ripetitive e ben definite e all’uomo quelle più complesse che per loro natura  richiedono decisionalità e capacità cognitive elevate.

Mentre nelle applicazioni robotiche tradizionali, che richiedono interazioni e mobilità limitate, i robot della prossima generazione dovranno interagire fisicamente con l’ambiente e, in un futuro non troppo lontano, con l’uomo.

Nella robotica di servizio, al di fuori di ambienti tipicamente strutturati come quello industriale ci saranno robot  che saranno in grado di operare in ambienti domestici, capaci di assistere l’uomo nella vita quotidiana, come ausilio nella riabilitazione e nell’assistenza e il tempo libero. Per queste caratteristiche dovranno essere capaci di prendere iniziative ed essere, pertanto, dotati di una certa autonomia decisionale.

Traendo ispirazione dalla natura, che in miliardi di anni e attraverso un percorso evolutivo ha selezionato strategie e materiali efficaci per le necessità degli organismi viventi, il futuro della robotica potrebbe quindi passare per i materiali “morbidi” per progettare robot in grado di integrarsi con le attività dell’uomo.

La ricerca e l’interesse per la robotica morbida (Soft robotics) è in continua evoluzione e diverse sono le applicazione : dai robot collaborativi del settore industria-automazione alla chirurgia, in contesti operativi incerti e pericolosi, ma anche per esplorare le profondità marine e gli ambienti ostili per l’uomo.

Scenari che sono stati affrontati da Antonio Bicchi, professore ordinario di Automatica e Robotica dell'università di Pisa, e Darwin Caldwell, uno dei direttori dell'Istituto Italiano di Tecnologia a Genova per i quali:

« Si tratta di una realtà già esistente anche se non ancora applicata - hanno detto -. L'idea è quella far vivere i robot a contatto con le persone, rendendoli più vicini e gradevoli al contatto: saranno costruiti con materiali leggeri e dovranno essere simili agli umani».

L’interazione Uomo-Robot

La robotica è da sempre conosciuta per le sue applicazioni nel settore dell’industria con macchine programmabili ed esecutrici di compiti fisici e dal  2004 ha iniziato ad attrarre l’interesse degli studiosi di interazione quando la ricerca si è orientata anche alla progettazione di sistemi robotici capaci di iniziativa e più autonomi, in grado di  interagire con gli esseri umani in modo intuitivo e sicuro.

Uomo e robot che debbono condividere lo stesso ambiente pongono ai progettisti problematiche del tutto nuove che derivano dall’interazione uomo-macchina. Di questo se ne occupa una nuova disciplina nata all’interno del vasto campo della robotica: Human-Robot Interaction –HRI è un’area di ricerca multidisciplinare in continuo sviluppo per la progettazione  di dispositivi robotici in grado di cooperare con l'uomo in modo intuitivo e sicuro.  

Secondo il paradigma di Industria 4.0, i robot che collaborano con gli operatori umani nell’esecuzione dei processi produttivi richiedono che alla base delle tecnologie di interazione siano collocate tutte le tecnologie e gli aspetti relativi alla sicurezza (safety) dell’interazione fisica e della condivisione degli spazi.

Un’interazione che si dovrà sviluppare secondo livelli diversi: fisica, funzionale e cognitiva. L’obiettivo delle tecnologie per la condivisione dello spazio di lavoro è senz’altro quello di poter trasformare la fabbrica tradizionale in un ambiente più fluido e dinamico, aperto e interattivo.

Il nostro Paese  è senz’altro all'avanguardia in questo settore con Centri di ricerca di eccellenza : il laboratorio di Human-Robot-Interaction è parte dell’Area Artificial Hands dell’Istituto di BioRobotica e   tra i filoni di ricerca trova spazio lo studio dell’ interazione uomo-macchina e della percezione umana. 

Tra le linee di Ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia e  in un ambiente fortemente multidisciplinare “Dynamic Interaction Control”dove le attività del gruppo d’interazione dinamica hanno l’obiettivo di dotare gli umanoidi di capacità avanzate di azione e interazione fisica.

Materiali intelligenti

La Robotica soffice per poter raggiungere i suoi obiettivi ha bisogno di tecnologie di supporto avanzate come lo studio di nuovi materiali adeguati alle realizzazioni di parti robotiche morbide, flessibili e deformabili, ma anche di nuovi e perfezionati sensori  per poter  progettare strutture robotiche dotate di movimento e sensorialità.

La progettazione di robot in grado di interagire con l’ambiente implica di superare il concetto di moto legato solo a ingranaggi e meccanismi e la soluzione  trae ispirazione dai sistemi biologici. In questa’ottica un robot soffice potrebbe avere caratteristiche più simili alle strutture biologiche che, giova ricordarlo, dispongono di materiali efficaci che la natura ha saputo selezionare attraverso il lungo percorso dell’evoluzione.

Per la robotica “soffice” la ricerca oggi è orientata ai materiali “intelligenti” in grado di reagire a stimoli di origine diversa che  livello strutturale possono cambiare alcune proprietà fisiche e meccaniche del materiale stesso. Di particolare interesse le ricerche che la robotica medica sta portando avanti con la realizzazione di polimeri biodegradabili e biocompatibili che possono essere usati per esplorare e intervenire, se necessario, nel corpo umano direttamente dall'interno.

Il Centro Interdipartimentale di Ricerca “E. Piaggio”  dell’Università di Pisa svolge ricerca interdisciplinare nei campi della Bioingegneria, Robotica e dell’Automazione e le aree principali del Centro riguardano l’ingegneria dei materiali e la bioingegneria: materiali “intelligenti” per sensori e attuatori. Ricerche  che coinvolgono discipline diverse: dall’ingegneria, alla chimica, fisica e biologia.

Tra i nuovi materiali i nanocompositi sono una nuova classe a base di matrici polimeriche che si caratterizzano per una dispersione delle fasi ultrafine, dell’ordine di pochi nanometri, offrendo nuove opportunità tecnologiche nei settori in cui è necessario riprodurre o simulare il comportamento di sistemi biologici.

Ricercatori dell'Università di Pisa e del Josef Stefan Institute di Lubiana hanno realizzato un  polimero “soffice” per la progettazione di oggetti in  3D di qualsiasi forma e dimensione che trovano applicazioni anche in robotica e in medicina. Il contributo alla ricerca di Valentina Domenici , Professore presso il dipartimento di Chimica e Chimica Industriale, è legato soprattutto alla progettazione e realizzazione dei compositi PDLCE (dispersione di elastomeri liquido cristallini in una matrice polimerica) “bimodali”, dove il materiale è in grado di variare la propria forma  in modo reversibile.

E’ un nuovo materiale che consente di creare oggetti di qualsiasi forma e dimensioni, in grado di modificare la geometria in modo riproducibile e reversibile – ha spiegato Valentina Domenici dell’Ateneo pisano - Le applicazioni più immediate riguardano la produzione di oggetti 3D a memoria di forma e a forma programmabile, anche su scala macroscopica”.

Robotica soffice

La “robotica soffice” (Soft Robotics ) è un settore di ricerca emergente della biorobotica  che introduce un radicale cambio di paradigma progettuale secondo il quale un robot, per poter agevolmente interagire  con gli esseri umani, non deve necessariamente essere realizzato da un insieme di sole strutture rigide.

Un’efficiente interazioni dei sistemi robotici con l’ambiente circostante e  con l’uomo richiede la progettazione di robot  dove la struttura “rigida”, realizzata tradizionalmente da metallo e polimeri rigidi, sia in parte integrata con l’introduzione di parti robotiche realizzate con materiali “soffici” e strutture in grado di deformarsi ed assorbire buona parte dell’energia derivante da una eventuale collisione.

I Soft Robot sono quasi sempre bio-inspired e realizzati con materiali morbidi e flessibili per acquisire nuove abilità: allungarsi, crescere e cambiare forma ed esibendo in tal modo agilità, sensibilità e capacità di adattamento per poter  interagire in modo più sicuro con l’uomo e l’ambiente esterno.

Cecilia Laschi, Professore Ordinario di Bioingegneria Industriale all'Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa spiega: “Le tecnologie di robotica soft permettono di ottenere nei robot abilità non immaginabili prima, come quella di crescere, di schiacciarsi, di rimarginarsi, di cambiare forma, di evolvere, aprendo nuovi scenari per realizzare robot integrabili con più facilità nelle nostra vista quotidiana”.

La ricerca e le applicazioni  

L'Italia si conferma un Paese leader nell’ambito della “soft robotics” e diversi sono i Centri di ricerca tra cui l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna e l’Istituto Italiano di Tecnologia già noti  per aver creato i primi robot al mondo ispirati rispettivamente al polpo (“Octopus”) e al mondo vegetale (“Plantoid”).  

Nella robotica collaborativa industriale e dell’automazione per la realizzazione di robot realizzati con dispositivi sicuri, flessibili e “morbidi” quando interagiscono con gli esseri umani e con l’ambiente circostante.

Con “Stiff-flop, il primo robot chirurgico della ” Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa,  la “robotica morbida” si apre anche ad applicazioni in ambito medico. Il ricercatore Matteo Cianchetti e la prof.ssa Arianna Menciassi, entrambi della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, hanno realizzato un “endoscopio a rigidezza variabile” che permette di effettuare interventi complessi attraverso un approccio mini invasivo.

Tra le linee di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia “Soft Robotics for Human Cooperation and Rehabilitation” che si occupa di progettare  robot di nuova generazione adatti alla interazione fisica con le persone in modo efficiente e  sicuro. Saranno in grado di aiutarci nel lavoro fisico e di assistere le persone con disabilità e per fare questo, i futuri robot, dovranno essere leggeri, elastici e resistenti.

Da Plantoid, la “pianta robot” con radici senso rizzate,  alla mano robotica robusta e leggera SoftHand, progetto completamente italiano,  nato dalla collaborazione tra il Centro Protesi Inail  di Budrio e l’Istituto Italiano di Tecnologia, per lo sviluppo di nuovi dispositivi protesici e riabilitativi avanzati. Realizzata in materiale plastico e collegata all’avambraccio mediante sensori che recepiscono gli impulsi muscolari. E’ in grado di recuperare una funzionalità complessiva ai pazienti amputati di arto superiore che ogni anno in Italia sono stimati in circa 3600.

Dalla collaborazione tra l’IIT di Genova e il Centro Piaggio dell’Università di Pisa abbiamoWALK-MAN che utilizza i principi e la tecnologia della robotica soft per estenderla alla locomozione su arti inferiori e alla contemporanea manipolazione da parte di un robot umanoide dotato di mani soffici che si ispirano a quelle dell’uomo. Tra le principali caratteristiche il movimento elastico dei giunti che gli permettono di avere un movimento fluido e sicuro nell’interazione con l’uomo e con l’ambiente

Nel campo della riabilitazione i soft robotics si prestano anche ad essere impiegati anche nella forma di esoscheletri morbidi da indossare come un vestito per ripristinare o potenziare l’attività motoria umana e migliorare la qualità della vita dell’uomo.

I sistemi robotici soffici potranno diventare strumenti per l’ispezione di zone colpite da  disastro naturale o causato dall’uomo, esplorando e intervenendo in caso di bisogno, grazie alla capacità dei robot soffici di potersi deformare e superare eventuali ostacoli in modo agevole e sicuro.

 

 

 

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