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Robot morbidi più veloci ispirati ai ghepardi

Traendo ispirazione dalla biomeccanica del movimento dei ghepardi i ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un robot morbido che può raggiungere velocità maggiori, rispetto ad altri robot soft, su superfici solide o in acqua.

Jie Yin professore presso il dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale-NC State University- ha spiegato che la velocità e la potenza di un ghepardo sono dovute alla flessione della sua colonna vertebrale. 

L'articolo " Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots" è stato pubblicato l'8 maggio 2020 sulla rivista Science Advances.

La Soft Robotics è un’area di ricerca interdisciplinare che suscita un notevole interesse per la sua interazione sicura e adattiva dei robot con gli esseri umani e gli ambienti difficili, consentendo una vasta gamma di nuove funzionalità che difficilmente possono essere raggiunte dai robot rigidi convenzionali.

Questa nuova classe di "robot soft ad alte prestazioni di prossima generazione" sono multifunzionali e consentono una maggiore flessibilità del materiale superando in tal modo i limiti di velocità della maggior parte dei modelli esistenti dovuti alle intrinseche limitazioni tipiche dei materiali morbidi.

Perché ispirarsi al ghepardo

In natura un certo numero di quadrupedi mostra una locomozione ad alta velocità che si è evoluta attraverso milioni di anni di evoluzione.

In questo lavoro i ricercatori si sono ispirati al ghepardo, Acinonyx jubatus, il felino più veloce al mondo in grado di percorrere 93 km / h in raffiche brevi e questa peculiarità la deve alle sue caratteristiche fisiche.

Oggi diffuso ampiamente nell’Africa subsahariana caccia soprattutto gazzelle e antilopi che avvicina strisciando per poi inseguirle in corsa con rapidissime accelerazioni che possono superare, per alcune centinaia di metri, la velocità di 110 km/h.

Il galoppo è stato anche suggerito come il modo di locomozione più efficiente dal punto di vista energetico nei mammiferi quadrupedi e diverse ricerche hanno evidenziato i ruoli e i benefici della flessione e dell'estensione della colonna vertebrale per la locomozione ad alta velocità. In particolare sono stati studiati per gli animali vertebrati nei suoi aspetti di auto-stabilizzazione e accumulo di energia elastica.

Questi principi della locomozione sono da tempo fonte di ispirazione per ricerche nell’ambito della robotica soffice con l’obiettivo di incorporarli nei robot terrestri bioispirati.

"I ghepardi sono le creature più veloci sulla terra e la loro velocità e potenza deriva dalla flessione delle loro spine"

"Siamo stati ispirati dal ghepardo a creare un tipo di robot morbido con una spina" bistabile "alimentata a molla, il che significa che il robot ha due stati stabili", afferma Yin. 

Il principio di progettazione

Il team di ricerca si è avvalso di un innovativo design bioispirato al meccanismo attivo della colonna vertebrale durante il galoppo dei ghepardi imitando il modo in cui l'animale flette la sua colonna vertebrale per raggiungere le alte velocità.

"Siamo in grado di alternare rapidamente tra questi stati stabili pompando aria nei canali che rivestono il robot in silicone morbido. Il passaggio tra i due stati rilascia una notevole quantità di energia, consentendo al robot di esercitare rapidamente forza contro il suolo. Ciò consente al robot di galoppare attraverso la superficie, nel senso che i suoi piedi lasciano il terreno”.

 

Schematicamente un attuatore a flessione morbida bistabile è formato da tre componenti: due attuatori di flessione bidirezionali pneumatici morbidi come muscolo scheletrico, un meccanismo flessibile stampato tridimensionalmente (3D) composto da due maglie rigide incernierate come una colonna vertebrale e una molla pretensionata che collega due estremità del meccanismo per potenziale accumulo e rilascio di energia meccanica.

Robot più veloci e potenti

Attualmente i robot più veloci potevano muoversi a velocità fino a 0,8 lunghezze di corpo al secondo su superfici piane e solide mentre la nuova classe di robot soft, denominata " Leveraging Elastic instabilities for Amplified Performance " (LEAP), è in grado di raggiungere velocità fino a 2,7 lunghezze corporee al secondo, tre volte più veloci. 

La locomozione ad alta velocità necessita di una risposta rapida, un'uscita di forza elevata, un accumulo di energia ad alta tensione e un movimento ad alta precisione degli attuatori.

Questi nuovi robot LEAP "al galoppo" sono lunghi circa 7 centimetri e pesano circa 45 grammi e sono capaci di correre su pendii ripidi, un lavoro impegnativo o impossibile per la maggior parte degli attuali robot morbidi che esercitano meno forza contro il suolo.

"Abbiamo anche dimostrato l'uso di diversi robot soft che lavorano insieme, come le tenaglie, per afferrare oggetti".

"Sintonizzando la forza esercitata dai robot, siamo stati in grado di sollevare oggetti delicati come un uovo, nonché oggetti che pesano 10 chilogrammi o più” afferma Yin.

I ricercatori osservano che questo lavoro è solo un punto di partenza per sperimentare il principio di progettazione e si dichiarano ottimisti sulla possibilità di poter successivamente modificare il design per rendere i robot LEAP ancora più veloci e potenti.

Scenari applicativi

"Le potenziali applicazioni includono tecnologie di ricerca e salvataggio, dove la velocità è essenziale e la robotica della produzione industriale".

"Ad esempio, si può immaginare sistemi robotici da linea di produzione più veloci, ma anche in grado di gestire oggetti fragili” afferma Yin. 

"Siamo aperti a collaborare con il settore privato per mettere a punto i modi in cui possono incorporare questa tecnologia nelle loro operazioni".

 

Il lavoro è stato svolto con il sostegno della National Science Foundation nell'ambito delle sovvenzioni 2010717 e 2005374.

Credit: Jie Yin, North Carolina State University

 

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