Inventori e ricercatori lavorano allo sviluppo di robot da quasi 70 anni. Tutte le macchine che hanno costruito, che oggi si trovano nelle fabbriche e altrove, hanno una cosa in comune: sono alimentate da motori, una tecnologia che ha già 200 anni. Anche i robot che camminano non azionano le braccia e le gambe con i muscoli, come sappiamo dall’uomo e dagli animali, ma con i motori. Per questo motivo mancano di una parte della mobilità e dell’adattabilità delle creature viventi.
Carico elettricamente come un pallone
Come negli esseri umani e negli animali, un muscolo estensore e uno flessore nella gamba robotica assicurano la possibilità di movimenti in entrambe le direzioni. Questi attuatori elettroidraulici, che i ricercatori chiamano HASEL, sono collegati allo scheletro tramite tendini.Gli attuatori sono sacchetti di plastica riempiti di olio, simili ai sacchetti di plastica usati per fare i cubetti di ghiaccio. Circa la metà del sacchetto è rivestita su entrambi i lati da un elettrodo nero, cioè da un materiale conduttore. Buchner spiega: "Non appena applichiamo la tensione agli elettrodi, questi si attraggono a vicenda a causa dell’elettricità statica. Se strofino un palloncino contro la mia testa, i miei capelli si attaccano al palloncino a causa della stessa elettricità statica". Aumentando la tensione, gli elettrodi si avvicinano e spingono l’olio nel sacchetto da un lato, rendendolo complessivamente più corto.
Più efficiente dei motori elettrici
I ricercatori hanno confrontato l’efficienza energetica della loro gamba robotica con quella di una gamba robotica convenzionale azionata da un motore elettrico. Tra le altre cose, hanno analizzato quanta energia viene inutilmente convertita in calore. "Nell’immagine a infrarossi si nota subito che la gamba motorizzata consuma molta più energia se deve essere tenuta in posizione piegata, ad esempio", spiega Buchner. Al contrario, la temperatura della gamba azionata elettroidraulicamente rimane invariata. Questo perché il muscolo artificiale è elettrostatico. "È come l’esempio del palloncino e del capello, dove il capello rimane attaccato al palloncino per molto tempo", aggiunge Buchner. "I motori elettrici richiedono una regolazione del calore, il che significa che sono necessarie unità di raffreddamento o ventole aggiuntive per dissipare il calore nell’aria. Il nostro sistema non richiede tali componenti", afferma Fukushima.Locomozione agile su terreni irregolari
La capacità di salto della gamba robotica si basa sulla capacità di sollevare il proprio peso in modo esplosivo. I ricercatori hanno anche potuto dimostrare che la gamba robotica ha un alto grado di adattabilità, particolarmente importante per la robotica morbida. Solo se il sistema muscolo-scheletrico ha un’elasticità sufficiente, può adattarsi agilmente al rispettivo terreno. "Non è diverso dagli esseri viventi. Se non possiamo piegare le ginocchia, ad esempio, abbiamo grandi difficoltà a camminare su una superficie irregolare", spiega Katzschmann. "Basti pensare al passaggio dal marciapiede alla strada".Mentre un sensore deve costantemente comunicare al motore elettrico l’angolazione della gamba robotica, il muscolo artificiale si adatta interagendo con l’ambiente. Riceve costantemente gli stessi due segnali di ingresso di un motore: uno per la flessione e uno per l’estensione dell’articolazione. Fukushima spiega: "La capacità di adattarsi al terreno è un aspetto fondamentale. Quando una persona salta in aria e atterra, non deve pensare se deve piegare le ginocchia con un angolo di 90 o 70 gradi". Lo stesso principio si applica alla gamba robotica muscoloscheletrica: se l’ambiente è morbido, la gamba robotica raggiunge un angolo di articolazione diverso rispetto a una superficie dura.
La tecnologia emergente apre nuove possibilità
Il campo di ricerca degli attuatori elettroidraulici è ancora giovane ed esiste solo da circa sei anni. "Il campo della robotica sta facendo rapidi progressi nella tecnologia di controllo e nell’apprendimento automatico; al contrario, sono stati fatti molti meno progressi nello sviluppo, altrettanto importante, dell’hardware robotico. La nostra pubblicazione ci ricorda quanto potenziale di innovazione risieda nell’introduzione di nuovi concetti hardware, come l’uso di muscoli artificiali", afferma Keplinger. Katzschmann aggiunge che è improbabile che gli attuatori elettroidraulici vengano utilizzati nei macchinari pesanti nei cantieri, ma offrono vantaggi specifici rispetto ai motori elettrici standard, soprattutto nelle applicazioni robotiche della mano, dove il movimento deve essere altamente personalizzato e adattativo a seconda che si tratti, ad esempio, di una palla, un uovo o un pomodoro.Tuttavia, Katzschmann avverte: "Il sistema attuale è ancora limitato rispetto ai robot che camminano con motori elettrici. Attualmente la gamba è attaccata a un palo, saltella in cerchio e non può ancora muoversi liberamente". Il lavoro futuro dovrebbe superare queste limitazioni, in modo da poter sviluppare veri e propri robot deambulanti con muscoli artificiali. E continua: "Se combiniamo la tecnologia della gamba robotica in un robot a quattro zampe o in un robot umanoide con due gambe, un giorno saremo in grado di usarlo come robot di salvataggio una volta alimentato a batteria".
Un’efficace collaborazione internazionale
Il Centro Max Planck ETH per i sistemi di apprendimento (CLS) è una partnership tra l’Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti (MPI-IS) in Germania e i dipartimenti di ingegneria del Politecnico di Zurigo, in Svizzera. Il CLS si occupa di questioni di ricerca interdisciplinari riguardanti la progettazione e l’analisi di sistemi di apprendimento naturali e artificiali. Lo studio descritto sopra è un esempio ideale di progetto di ricerca collaborativa sull’intelligenza fisica sotto l’egida del CLS.Dal 2015, questa partnership promuove la ricerca e forma i futuri leader della ricerca. L’elemento centrale è un programma di borse di dottorato a supervisione congiunta. Ogni borsista ha un supervisore del Politecnico di Zurigo e dell’MPI-IS e viene ospitato principalmente nel gruppo del suo supervisore principale, trascorrendo uno scambio di 12 mesi presso la sede del co-consulente. I borsisti CLS conseguono il dottorato presso il Politecnico di Zurigo. Più di 60 giovani ricercatori hanno già completato il loro dottorato utilizzando questo modello. Ulteriori informazioni sul CLS.
