Salute: con muscoli artificiali gamba robotica cammina e salta

Una nuova gamba robotica alimentata da muscoli artificiali non solo si è dimostrata più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a una gamba convenzionale, ma ha anche dimostrato di essere in grado di eseguire salti elevati e movimenti veloci, nonché di rilevare e reagire agli ostacoli, il tutto senza la necessità di sensori complessi. Descritta su ‘Nature Communications’, la gamba robotica è stata sviluppata dai ricercatori del Politecnico di Zurigo e del Max Planck Institute for Intelligent Systems, MPI-IS, nell’ambito di una partnership di ricerca denominata Max Planck ETH Center for Learning Systems, nota come CLS.
La squadra di ricerca del CLS è stata guidata da Robert Katzschmann del Politecnico di Zurigo e da Christoph Keplinger dell’MPI-IS. Fra i primi autori dello studio sulla gamba robotica muscoloscheletrica ispirata agli animali figurano i dottorandi Thomas Buchner e Toshihiko Fukushima.
Sono quasi settant’anni che inventori e ricercatori sviluppano robot. Finora, tutte le macchine che hanno costruito, sia per le fabbriche sia per altri settori, hanno avuto una cosa in comune: sono alimentate da motori, una tecnologia che ha già 200 anni. Anche i robot che camminano hanno braccia e gambe alimentate da motori e non da muscoli come negli esseri umani e negli animali. Questo spiega in parte perché non hanno la mobilità e l’adattabilità delle creature viventi.
Nella nuova gamba, come negli esseri umani e negli animali, un muscolo estensore e uno flessore assicurano che la gamba robotica possa muoversi in entrambe le direzioni. Questi attuatori elettroidraulici, che i ricercatori chiamano Hasel, sono attaccati allo scheletro da tendini. Gli attuatori sono sacchetti di plastica riempiti di olio, simili a quelli usati per fare i cubetti di ghiaccio. Circa la metà di ogni sacchetto è rivestita su entrambi i lati da un elettrodo nero fatto di materiale conduttivo.
“Non appena applichiamo una tensione agli elettrodi, questi vengono attratti l’uno dall’altro a causa dell’elettricità statica”, ha detto Buchner. “Allo stesso modo, quando 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 nella sacca da un lato, rendendo la sacca complessivamente più corta”.
Coppie di questi attuatori collegati a uno scheletro producono gli stessi movimenti muscolari accoppiati degli esseri viventi: quando un muscolo si accorcia, la sua controparte si allunga.
Il campo di ricerca degli attuatori elettroidraulici è ancora giovane, essendo emerso solo circa sei anni fa. “Il campo della robotica sta facendo rapidi progressi con i controlli avanzati e l’apprendimento automatico; al contrario, i progressi sono stati molto inferiori per quanto riguarda l’hardware robotico, che è altrettanto importante”, ha affermato Keplinger. “Questa pubblicazione ci ricorda quanto il potenziale di innovazione dirompente derivi dall’introduzione di nuovi concetti di hardware, come l’uso di muscoli artificiali”.
“È improbabile che gli attuatori elettroidraulici vengano utilizzati nei macchinari pesanti nei cantieri, ma offrono vantaggi specifici rispetto ai motori elettrici standard”, ha aggiunto Katzschmann. “Ciò è particolarmente evidente in applicazioni come le pinze, dove i movimenti devono essere altamente personalizzati a seconda che l’oggetto da afferrare sia, ad esempio, una palla, un uovo o un pomodoro. Rispetto ai robot che camminano con motori elettrici, il nostro sistema è ancora limitato. Attualmente la gamba è attaccata a un’asta, salta in cerchio e non può ancora muoversi liberamente. Il lavoro futuro dovrebbe superare queste limitazioni, aprendo la strada allo sviluppo di veri e propri robot deambulanti con muscoli artificiali. Se combiniamo la gamba robotica in un robot quadrupede o in un robot umanoide con due gambe, forse un giorno, quando sarà alimentato a batteria, potremo impiegarlo come robot di salvataggio”. I ricercatori utilizzano un codice informatico che comunica con amplificatori ad alta tensione per controllare quali attuatori si contraggono e quali si estendono. Gli scienziati hanno confrontato l’efficienza energetica della loro gamba robotica con quella di una gamba robotica convenzionale alimentata da un motore elettrico. Tra le altre cose, hanno stimato quanta energia viene inutilmente convertita in calore.
“Nell’immagine a infrarossi, è facile vedere che la gamba motorizzata consuma molta più energia se, ad esempio, deve mantenere una posizione piegata”, ha aggiunto Buchner. “La temperatura della gamba elettroidraulica, invece, 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”.
“In genere, i robot azionati da motori elettrici necessitano di una gestione del calore che richiede dissipatori o ventole aggiuntive per diffondere il calore nell’aria; il nostro sistema non ne ha bisogno”, ha affermato Fukushima. La capacità della gamba robotica di saltare si basa sulla capacità di sollevare il proprio peso in modo esplosivo.
I ricercatori hanno anche dimostrato 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 in modo flessibile al terreno in questione. “Per gli esseri viventi non è diverso; se non possiamo piegare le ginocchia, ad esempio, camminare su una superficie irregolare diventa molto più difficile”, ha osservati Katzschmann. “Pensate solo a scendere dal marciapiede alla strada”.
A differenza dei motori elettrici che richiedono sensori che indichino costantemente l’angolazione della gamba robotica, il muscolo artificiale si adatta alla posizione adatta grazie all’interazione con l’ambiente. Il tutto è guidato da due segnali di ingresso: uno per piegare l’articolazione e uno per estenderla. “L’adattamento al terreno è un aspetto fondamentale: quando una persona atterra dopo aver saltato in aria, non deve pensare in anticipo se deve piegare le ginocchia a 90 gradi o a 70 gradi”, ha notato Fukushima. “Lo stesso principio si applica al sistema muscolo-scheletrico della gamba robotica: al momento dell’atterraggio, l’articolazione della gamba si sposta in modo adattivo in un angolo adeguato a seconda che la superficie sia dura o morbida”. (AGI)