In Giappone un designer abbozza soft robot, ispirato da “Il pianeta dei bruchi”

Di tutte le specie viventi di questo pianeta, il 10% – circa 180.000 – sono insetti appartenenti all’ordine dei Lepidoptera, le cui larve sono comunemente note come bruchi. Per Takuya Umedachi, che descrive la terra come “un pianeta di bruchi”, i loro corpi soffici, semplici, a forma allungata, privi di un chiaro sistema osseo, regolati da un numero molto piccolo di neuroni, ma adattabili a diversi ambienti, hanno fornito il modello ideale per sviluppare il movimento robotico utilizzando materiali morbidi. Questo bruco robot appartiene ad un gruppo emergente di “soft robot”, che utilizzano materiali morbidi al posto dei metalli duri e possono operare in modo più sicuro in prossimità degli esseri umani.

Umedachi è un ricercatore leader nel campo della robotica, con un’attenzione particolare per la tecnologia dei soft robot, e docente di progetto presso la Scuola di specializzazione di Scienza e Tecnologia dell’informazione dell’Università di Tokyo. Umedachi ha tratto ispirazione da opere di fantasia come Ghost in the Shell, che esplora il rapporto tra il corpo, la mente e i ricordi di una persona. Si è interessato ai confini che separano i robot dall’uomo e da altri organismi e ha iniziato a lavorare alla costruzione di robot con qualità simili a quelle degli esseri viventi.

La maggior parte dei robot industriali sono progettati a forma di braccio umano, con legamenti a forma di ossa che si collegano alle articolazioni corrispondenti a spalla, gomito o polso. Per realizzare movimenti fluidi e liberi, normalmente si utilizzano sei giunti (assi) in un braccio robotizzato. Quasi tutti i suoi componenti sono in metallo duro.

Nel 2010, nella continua ricerca per dare un corpo soffice ai suoi robot, traendo ispirazione dalle amebe e dai bruchi, Umedachi aveva già costruito un robot modellato sull’esempio di un organismo plasmodiale, o mixomiceto, un’ameba unicellulare. “Solo dopo aver iniziato il mio lavoro in questo campo ho appreso che venivano chiamati robot soffici”, racconta Umedachi.

“Quando si creano i cosiddetti robot duri, quelli in grado di lavorare nella terra morbida o sui rami, ci sono diversi problemi, come i limiti di peso, i complessi meccanismi di controllo e gli elevati costi di sviluppo”, continua. “Penso che la tendenza attuale sia quella di costruire robot [ispirati] dalle strutture e dalle forme altamente funzionali che si trovano negli esseri viventi”.

Utilizzando materiali morbidi per costruire corpi flessibili che imitano il mondo naturale, i soft robot possono essere progettati per cambiare forma in molteplici dimensioni e fare uso di meccanica non lineare. I soft robot hanno anche il potenziale per andare oltre le strutture simili alle ossa e alle articolazioni utilizzate dagli hard robot, offrendo funzionalità corrispondenti a muscoli, tendini, pelle e capelli. Queste proprietà possono rendere i soft robot adatti a lavorare accanto all’uomo, dove la sicurezza è fondamentale, così come in ambienti in rapida trasformazione.

La progettazione, la produzione e il controllo di questi soft robot richiedono approcci diversi rispetto agli hard robot. Umedachi ha utilizzato palloncini e strutture simili finché non ha scoperto l’esistenza delle tecnologie avanzate, come la stampa 3D, all’Autodesk Technology Center di San Francisco, situato al Pier 9 dell’Embarcadero. Ne è rimasto folgorato e ben presto ha cambiato approccio di fabbricazione.

“Invece di dover progettare ingranaggi e giunti, sono stato in grado di realizzare la funzionalità che desideravo, impostando la distribuzione della rigidità del corpo che volevo creare”, dice Umedachi. “Sentivo che questi erano gli strumenti perfetti per i miei soft robot”.

Umedachi ha costruito il robot ispirato ai bruchi durante un periodo di ricerca presso la Tufts University nel Massachusetts, utilizzando una stampante 3D per realizzare l’intero corpo del robot anziché soltanto le singole parti. “Finalmente siamo stati in grado di utilizzare materiali morbidi nella stampa 3D”, dice, “e questo è il robot che abbiamo realizzato con tali materiali”.

I sistemi meccanici dei tradizionali robot rigidi impongono che ogni parte collegata al corpo abbia una funzione specifica. Se sono richieste funzionalità aggiuntive, è necessario collegare nuove parti. Invece, i robot dotati di strutture morbide possono ricomporsi per assumere forme diverse, cambiare le proprietà elastiche in tempo reale, rispondendo alle forze esterne, e mantenere la continuità di funzionamento, trasmettendo internamente il movimento da una porzione del corpo ad un’altra; il tutto con un numero minimo di parti singole.

Progettazione di un soft robot stampato in 3D con controllo della postura e dello sterzo

Umedachi ha fabbricato il suo bruco robot utilizzando una stampante 3D in grado di produrre contemporaneamente materiale morbido e gommoso e materiale duro. Una lega a memoria di forma, che si contrae quando viene elettrificata, è stata avvolta in una serie di molle, di cui due incorporate nella parte anteriore del robot e una nel segmento posteriore. Impostando tempistiche diverse per contrarre queste molle, il robot può avanzare, girare a sinistra o a destra, o girare in senso inverso, con un’ampia possibilità di movimento.

“Gli strumenti a nostra disposizione adesso sono molto ben sviluppati”, afferma Umedachi. “Mi semplificano la progettazione in 3D. Penso che le funzioni di scultura di Autodesk Fusion 360 per realizzare curve organiche siano perfette per il mio lavoro. In futuro, voglio provare in che modo l’applicazione di queste curve organiche ai miei robot possa influenzare le loro proprietà fisiche”.

Umedachi è inoltre alla ricerca di regolatori decentralizzati a comando autonomo in grado di adattarsi ai cambiamenti dell’ambiente, proprio come farebbe un organismo. Prendiamo un gatto: quando cammina, le quattro gambe funzionano sia in modo indipendente che come un unico sistema. Le gambe generano un ritmo di movimento complessivo attraverso le interazioni derivanti dalla comunicazione (attraverso i nervi e la forza meccanica) tra le diverse parti del corpo. L’ipotesi di lavoro della ricerca di Umedachi si basa su questi “regolatori decentralizzati a comando autonomo”.

Per testare le sue teorie, Umedachi voleva costruire un robot con un corpo soffice che si potesse controllare liberamente. Nel suo progetto ha adottato regolatori decentralizzati a comando autonomo, basati sulla forma di vita più elementare: l’organismo unicellulare. Nel robot di Umedachi ispirato al bruco, i motori che eseguono le operazioni di avvolgimento sono stati impostati per pensare individualmente e combinare il ritmo delle loro contrazioni per generare movimento. Il robot è stato in grado di generare con successo il proprio movimento strisciante.

Secondo Umedachi una delle maggiori sfide nella progettazione di un robot così soffice è stata quella di determinare in che modo le diverse forze avrebbero influenzato il proprio corpo. Quali zone avrebbero dovuto essere rafforzate per migliorare la velocità di movimento? Quali parti spingono il corpo lungo il terreno? Come si trasmettono le contrazioni attraverso il corpo morbido?

“In un corpo morbido, ogni parte può essere un’articolazione”, dice. “Risulta difficile dire dove saranno applicate le forze. La robotica è uno studio delle forze, ma proprio come l’elettricità, non si vedono, il che complica il lavoro”.

D07: Caterpilike: robot soffice a forma di bruco regolato da un comando decentralizzato

Una volta che un robot è stato progettato per muoversi bene, poi si tratterà solo di collegare i sensori. “Questi robot possono essere utilizzati per lavorare nei posti che normalmente l’uomo non può raggiungere “, spiega Umedachi.

“Ad esempio, un progetto a cui stiamo attualmente lavorando in collaborazione con un’azienda riguarda un soft robot capace di strisciare lungo le linee elettriche”, continua. “I materiali per un robot costano soltanto 2000-3000 yen [dai 16 ai 24 euro], quindi possiamo mettere un robot sulla linea elettrica per eseguire le operazioni di manutenzione”.

Il Giappone detiene una quota del 56% dell’intera produzione di robot industriali in tutto il mondo. I recenti sviluppi dell’intelligenza artificiale del paese comprendono la creazione di robot che saranno più utili per una gamma sempre più ampia di ruoli nei luoghi di lavoro e nelle case. La robotica soft è ancora un settore emergente, molti aspetti devono ancora essere adattati ai risultati della ricerca in corso sulla robotica convenzionale.

“Noi esseri umani siamo fatti di una combinazione di materia dura e materia morbida”, dice Umedachi. “Ho la sensazione che i soft robot, alla fine, si fonderanno con gli hard robot creando forme simili.”