La viscosità consente movimenti complessi per robot morbidi

Nov 20, 2023

Andrea Corselli

Un team di ricercatori della Cornell, guidato dal professore assistente Kirstin Petersen, ha progettato un nuovo e semplice sistema di attuatori azionati da fluidi che consentono ai robot morbidi di eseguire movimenti più complessi. Il team lo ha fatto sfruttando proprio ciò che in precedenza aveva ostacolato il movimento di tali robot: la viscosità.

Il laboratorio aveva esplorato modi per prendere le capacità cognitive e i comportamenti di un robot e scaricarli dal “cervello” sul corpo, attraverso i suoi riflessi meccanici e la capacità di sfruttare l’ambiente. Riducendo la necessità di calcoli espliciti, il robot può diventare più semplice, più robusto e meno costoso da produrre.

"I robot morbidi hanno una struttura molto semplice ma possono avere funzionalità molto più flessibili rispetto ai loro cugini rigidi", ha affermato Petersen. "Sono una sorta di robot intelligente incarnato per eccellenza. Oggigiorno la maggior parte dei robot morbidi sono azionati da fluidi. In passato, le persone hanno osservato come potremmo ottenere un extra rapporto qualità-prezzo incorporando funzionalità nel materiale del robot, come l'elastomero . Invece, ci siamo chiesti come avremmo potuto fare di più con meno, sfruttando il modo in cui il fluido interagisce con quel materiale."

Tradizionalmente, l'attuatore azionato dal fluido di un robot morbido funziona quando il fluido pressurizzato uniformemente scorre attraverso una camera d'aria o un soffietto in elastomero. Il principale punto critico è che se il flusso interno dell'attuatore è viscoso, la pressione si equalizza in modo diverso, causando un rallentamento del movimento dell'attuatore e un rallentamento del robot.

Il team di Petersen è partito da un modello simile, con la differenza che collegava una serie di soffietti in elastomero con tubi sottili, disposti in una coppia di colonne parallele, il tutto in un sistema chiuso. Questo metodo consente movimenti antagonisti. I minuscoli tubi inducono viscosità, che porta a una pressione distribuita uniformemente, piegando l'attuatore in diverse contorsioni e schemi di movimento. Normalmente sarebbe stato un problema, ma la squadra lo ha trasformato in un vantaggio.

L'autore principale Yoav Matia ha sviluppato un modello descrittivo completo in grado di prevedere i possibili movimenti dell'attuatore e di anticipare il modo in cui diverse pressioni di ingresso, geometrie e configurazioni di tubi e soffietti li raggiungono, il tutto con un singolo ingresso di fluido.

"Il ruolo dei materiali strutturali inerti di oggi sarà molto diverso nelle nostre macchine future", ha affermato Matia. "Si tratta di incorporare azione e calcolo nei materiali - organici rispetto al materiale, al processo di produzione e al fenomeno fisico che governa il sistema - consentendo loro di agire in modo indipendente attraverso meccanismi fisici e architettura interna. Questo lavoro rappresenta una nuova struttura scalabile per manifestare il controllo della materia dalla materia, laddove la materia strutturale altrimenti inerte agisce per proprio conto."

Per dimostrare la tecnologia, il team ha costruito un robot morbido a sei zampe con due pompe a siringa sulla parte superiore, che si accovaccia e cammina a 0,05 lunghezze del corpo al secondo.

Automatizzare la progettazione di robot morbidi

Lo strumento aiuta a progettare robot morbidi che possono piegarsi e torcersi

"Abbiamo dettagliato la gamma completa di metodi con cui è possibile progettare questi attuatori per applicazioni future", ha affermato Petersen. "Ad esempio, quando gli attuatori vengono utilizzati come gambe, mostriamo che semplicemente incrociando una serie di tubi, si può passare da un'andatura simile a quella dello struzzo, che ha una posizione molto ampia, a un trotto simile a quello di un elefante."

"Si tratta fondamentalmente di un sottocampo completamente nuovo della robotica morbida", ha aggiunto. "Esplorare quello spazio sarà estremamente interessante."

Ecco un'intervista di Tech Briefs con Petersen, modificata per chiarezza e lunghezza.

Brief tecnici: Cosa ha ispirato l'uso della viscosità?

Petersen: I robot software sono questo nuovo tipo di robot che sono davvero vantaggiosi per applicazioni particolari in cui infiniti gradi di libertà tornano utili: la capacità di muoversi in infiniti modi, la capacità di muoversi in sicurezza attorno agli oggetti e la capacità di essere conformi in termini di perturbazioni esterne e cose del genere.