Robotica

SOFT ROBOTICS

Lez 31-03

Cominciamo con la parte di soft robotics. Vengono usati materiali polimerici come i siliconi, non da

soli, cioè vengono utilizzate delle matrici che conferiscono determinate caratteristiche. Quello che

dobbiamo cercare di lasciare un attimo fuori dalla porta quando facciamo questo modulo è: nel

nostro immaginario noi abbiamo un giunto, un link con un grado di libertà, manipolatori e 3 gradi di

libertà in cui un giunto ha un grado di libertà. Nella Soft Robotics, dimenticate questa cosa qui, perché

sono infiniti i gradi di libertà, non c'è più la corrispondenza tra un link, giunto, grado di libertà, ma è

proprio come viene progettato, la progettazione del design, che allora si associa un diverso

movimento. Quindi è una cosa che è diversa da tutta quella che è la robotica hard, robotica dura,

quella che si vede nelle fabbriche, manipolatori, robot. Si va a rompere quello che è il link tra il grado di

libertà e il movimento.

Quindi ci sono tantissime, vedete ora, le applicazioni della soft robotics sono tante, però diciamo che

è una disciplina anche relativamente abbastanza giovane rispetto a quella della robotica più

tradizionale. C'è un dispendio anche di energia laddove si va a fare un esoscheletro completamente in

materiale soft, sicuramente più ergonomico, più leggero, più duttile, più sicuro, però tende a causare

anche un dispendio energetico per il movimento diverso.

Quindi, per cosa serve? Le applicazioni della Soft

Robotics sono tante. La prima è andare a occuparsi

di tutto quello che è il mondo dell'interazione tra

l'uomo e la macchina. Tutta la parte di

locomozione-esplorazione, perché avendo un corpo

che è plastico, che può facilmente adattarsi anche

al movimento, può essere facilmente utilizzato

laddove ci sia un un ambiente, magari ostile, più

complesso, caratterizzato dall'essere stretto, e

quindi dove c'è necessità che il corpo vari la forma

per riuscire ad esplorarlo in tutta la sua grandezza. Manipolazioni, quindi applicazioni mediche e

giunge a robotica e anche tutta la parte relativa alla riabilitazione e alla parte wearable.

Con la soft robotics, è si va a parlare di embodied

intelligence. In pratica, si crea un comportamento

adattivo che comporta un cambiamento anche a

livello corporeo, sfruttando la morfologia del corpo

nell'accoppiamento tra il task da svolgere e

l'ambiente. Voi dovete immaginare un corpo, il

nostro corpo, un qualsiasi elemento dove tutta la

parte di controllo è concentrata, delocalizzata, per

esempio il corpo umano nel cervello, e che quindi

qualsiasi decisione debba passare attraverso

questa parte qua d'attuazione. In embodied intelligence invece quando si ha una delocalizzazione

della parte di controllo a livello più basso, per esempio nel giunto. Quindi quello che succede è

adattare il proprio comportamento, la propria morfologia attraverso il contesto, il task che devo fare.

Non è detto che tutto debba passare per forza attraverso l'unità centrale di processo. Questo aiuta

anche la semplificazione del problema di controllo.

Pensiamo ai nostri riflessi: non passano dai livelli superiori del sistema nervoso centrale, ma vengono

gestiti più in basso, a livello del midollo spinale. Qui accade la stessa cosa: immaginate di dover

costruire un robot per risolvere un task, avendo tutta la parte computazionale e di controllo accentrata

all'interno di un microcontrollore o di un computer. 78

Se questa intelligenza comincia a essere delocalizzata anche a livello della scelta dei materiali, della

scelta di una particolare attuazione che alleggerisce quello che è il processo computazionale, tutto

questo processo viene chiamato embodied intelligence.

Si trasla l'intelligenza a livello di design, ovvero si

passa da quello che è il loop chiuso - che è dato da

percezione, cognizione e attuazione, cioè il

dispositivo percepisce attraverso i sensori

embedded che estrapolano l'informazione,

elaborano e gestiscono la fase di attuazione per la

chiusura del cerchio - verso un approccio dove si va

direttamente dal task richiesto all'azione.

Tutto questo nella soft robotics trova la sua massima applicazione, proprio grazie al materiale usato e

a come viene progettato. Nella soft robotics è anche importante tutta la fase di design del robot,

perché l'intelligenza sia del movimento che dell'applicazione viene anche decodificata in fase di

progettazione e di design.

Cosa è la soft robotics? Sono tutti quei robot, quei

device che possono andare ad interagire in maniera

attiva con l'ambiente e vengono sottoposti a una

grossa deformazione a seconda appunto della

capacità di questo corpo di mostrare una

compliance.

Vediamo qualche applicazione. Quindi la soft

robotics viene vista anche come l'applicazione di

materiali intelligenti e soft nell'interazione e nella

realizzazione di robot. Questa è una mano, è stata progettata dall'Università di Delft in Olanda. È

una protesi molto leggera e vedete anche come cominciamo a notare come

la parte di design delle dita, sia effettivamente progettata in modo da aiutare

questo cambiamento e quindi riuscire ad avere, in questo caso, una stretta

di mano, un'interazione uomo-robot in maniera più naturale e più semplice.

Quindi vedete si possono realizzare, nel primo caso,

un grip, il palloncino che è un robot manipolatore. I

gripper di solito sono due pinze, e uno dei problemi

dei robot manipolatori è afferrare oggetti di diversa

forma, perché quando si va anche a cambiare forma

agli oggetti è difficile anche andare a fare un

afferraggio. Quindi che cosa si propone con quel

Gripper nella figura A? Si ha un palloncino che è

fatto di materiale soft, però è in grado di lasciarsi

deformare a seconda dell'oggetto che deve afferrare

e non solo, grazie anche al sensore di forza e di pressione, riesce anche ad afferrare oggetti fragili

senza romperli. Quello che vediamo nell'esempio B, ora lo vedremo meglio dopo, è l'ingegnerizzazione

di un tentacolo del polpo. Un lato della bio-ingegneria è anche lasciarsi stupire da ciò che la natura sa

fare meglio di noi. In questo caso qui è proprio capire quanto il braccio di un polpo visto come un

braccio robotico possa andare a variare rigidezza per riuscire ad afferrare un oggetto. Poi abbiamo un

robot ispirato ad un bruco. Come si muovono i bruchi? Sii allungano e si ritirano, oppure usano un

metodo di locomozione che in inglese si chiama rolling, fa una pallina e si rotola. Si ha un robot

ispirato ad una stella marina. 79

Vedete ci sono delle righe. Il robot è realizzato con un materiale polimerico siliconico, le cui camere

interne vengono attuate in sequenza tramite aria compressa. Questa dinamica di insufflaggio

alternato è codificata nel design stesso della struttura, la quale, espandendosi, riesce a conferire

movimento al robot.

Questo è un gripper fatto in materiali soft si chiama Origami Robot, perché hanno

immaginato e progettato la struttura, incluso il materiale, come un origami. Quindi

perché siamo ancora in embodied intelligence? Perché qua non c'è nessun

microcontrollore, non c'è un'unità centrale, c'è soltanto una diversa attuazione

delle camere. Per come si espande questa struttura riesce a fare grip.

Cosa c'è dietro tutto questo mondo della robotica?

Cercare di capire studiare quello che funziona bene.

In questo caso si parte dal capire come funzionano i

muscoli. E quindi come il nostro sistema muscolo-

scheletrico riesce a gestire, il nostro sistema

muscolo-scheletrico ma in generale il sistema

muscolo-scheletrico anche di altri animali,

riescono a gestire in maniera così precisa il nostro

movimento. Perché se ci pensate noi riusciamo a

fare anche prese ad alta precisione, abbiamo diversi

tipi di prese. Quindi riuscire a replicare quelle che sono le caratteristiche di flessibilità, riuscire a

replicare anche la velocità di reazione, riuscire anche a sollevare oggetti molto pesanti e riuscire a fare

anche manipolazione fine. Quindi questo è il nostro target: replicare quello che funziona bene, incluse

tutte le caratteristiche.

Oggi la robotica mostra un limite chiaro: mancano

attuatori con le stesse performance del nostro

sistema muscolo-scheletrico e neuromotorio. Le

macchine attuali si avvicinano alle nostre capacità,

ma non riescono a replicarle tutte insieme e in spazi

ridotti. Spesso una macchina altamente

performante in una singola funzione risulta troppo

grande o non riesce a combinare più proprietà

contemporaneamente. Negli ultimi anni si stanno

però sviluppando tecnologie di attuazione in grado

di coesistere e co-operare con l’uomo al fine di ottimizzare le prestazioni.

I tratti distintivi dei soft robot sono la sicurezza, la

resilienza, le prestazioni e la possibilità di adottare

nuove strategie di controllo. Come abbiamo visto

per i manipolatori, queste caratteristiche

permettono di combinare bracci robotici tradizionali

con terminali soft. Il motivo è semplice: questa

soluzione risponde all'esigenza di avere un unico

gripper capace di esercitare forze controllate,

adattarsi alle forme ed eseguire prese differenti. 80

Per quanto riguarda la sicurezza, uno dei problemi

principali è garantire un ambiente sicuro agli

operatori umani che lavorano a contatto con i robot.

Nelle fabbriche tradizionali, infatti, i robot vengono

spesso chiusi all'interno di gabbie ed è severamente

proibito entrare nel loro workspace. I soft robot

permettono di migliorare notevolmente questo

aspetto: essendo realizzati in materiali morbidi, in

caso di impatto causano decisamente meno danni

rispetto a un robot tradizionale (hard). Inoltre, presentano un'inerzia minore nelle parti in

movimento, offrono la possibilità di integrare una

maggiore sensorizzazione, aumentano la

compliance grazie al design e permettono un

controllo migliore di tutta la parte di sensing. Tutto

questo va nella direzione di tutelare le persone che

interagiscono con la macchina, riducendo al

contempo anche i danni strutturali che il robot

stesso potrebbe subire a seguito di un urto. Una

struttura soft è il modo più efficiente per assorbire

gli shock. Se il robot subisce un colpo, la sua morbidezza gli permette di incassarlo e attutirlo in modo

ottimale.

Tali attuatori possono essere distribuiti lungo tutto il

corpo del robot e sfruttano tecnologie innovative:

leghe a memoria di forma, polimeri elettroattivi e

sistemi elettromagnetici. Si tratta di una serie di

attuatori capaci di generare un movimento naturale,

garantendo al contempo un'efficienza energetica

paragonabile a quella dei robot rigidi tradizionali.

Questa concetto si lega a quello della embodied

intelligence: i piccoli attuatori devono solo pensare

a muovere una piccola parte non tutto il corpo. Ci sono ci sono tutta una serie anche di nuove

strategie di controllo e quindi che cambiano il

paradigma.

Un altro elemento chiave della soft robotics è la bio-

ispirazione, che può essere il mondo naturale, il

mondo animale, il mondo vegetale, anche il mondo

biologico. Che cosa si intende per bio-ispirazione?

Si può prendere ispirazione dalla morfologia, quindi

come è fatta una cosa. Oppure si può prendere ispirazione dalla sua funzionalità, ovvero io cerco di

replicare la funzione che svolge. 81

Se pensiamo al mondo animale pensiamo anche

che ci sono tantissimi animali che hanno delle

strutture soft e che riescono a muoversi in maniera

molto efficiente in ambienti complessi.

Possiedono una capacità che garantisce loro

interazioni flessibili e adattabili, anche all'interno di

ambienti complessi e imprevedibili. In altre parole,

se si verifica un evento inatteso, il sistema riesce

comunque a gestirlo.

Inoltre, esistono soft robot dotati di scheletri capaci di irrigidirsi all'occorrenza, variando così la

rigidezza del proprio corpo. In questo ambito, la soft robotics trae forte ispirazione dalla natura per

realizzare strutture che riducono la complessità meccanica; distribuendo l'intelligenza nel corpo

stesso della macchina, si garantisce un'interazione sicura con l'uomo e con l'ambiente. Naturalmente,

l'ingegnere che progetta tali dispositivi deve adottare un approccio multidisciplinare, collaborando

con biologi e altre figure specializzate per comprendere a fondo le dinamiche di movimento degli

esseri umani o degli animali da cui si prende ispirazione.

Gli animali a corpo morbido (soft animals), essendo

privi di uno scheletro rigido, godono di una

conformazione che li favorisce nell'adattarsi ad

ambienti complessi e a esigenze impreviste.

Tuttavia, presentano un limite evidente: non

raggiungono mai dimensioni eccessive, poiché

l'assenza di uno scheletro rigido impedisce loro di

crescere oltre un certo limite strutturale. Per questo

motivo, la maggior parte di questi organismi vive in

acqua o sottoterra, ambienti che offrono un

supporto naturale al corpo, sopperendo così alla mancanza di un'impalcatura scheletrica portante.

Prendiamo ad esempio gli anemoni: possiedono un

cosiddetto scheletro idrostatico. Questo significa

che al loro interno sono presenti dei fluidi mantenuti

costantemente in pressione; l'animale,

controllando e modulando la propria muscolatura,

riesce così a cambiare forma e a trasmettere il

movimento. Un altro esempio sono i vermi di terra. Anche loro

hanno uno scheletro idrostatico. Il corpo di un

verme è costituito da anelli che si deformano

variando la loro circonferenza.

La struttura di questi vermi è caratterizzata da due

tipi di muscolatura: una circolare e una

longitudinale. L'azione sinergica e alternata di

questi muscoli conferisce il movimento. Nello

specifico, quando la muscolatura circolare si

contrae, si genera un'elongazione del corpo; i

muscoli longitudinali, invece, ne regolano 82

l'accorciamento e permettono al verme di piegarsi, effettuando il cosiddetto bending. L'ingegnere,

grazie alla collaborazione con il biologo che studia questi meccanismi, comprende che ci si trova di

fronte a un'intelligenza distribuita a livello morfologico. L'obiettivo diventa quindi ricreare questa

dinamica: all'ingegnere basta fornire un semplice input di controllo (accendere o spegnere gli

attuatori), ed è la struttura fisica stessa a gestire la complessità del movimento e dell'allungamento.

Per realizzare questo modello artificiale vengono utilizzate le leghe a memoria di forma. Queste

vengono posizionate in modo da riprodurre esattamente la distribuzione muscolare dell'animale: un

avvolgimento esterno funge da muscolatura circolare, mentre all'interno i fili in lega vengono disposti

per il lungo, replicando i muscoli longitudinali e permettendo così di riprodurre fedelmente

l'allungamento del verme. Questi sono i famosi bruchi verdi. Anche se il corpo

internamente c'è un'unica cavità ha, però, una

struttura molto complessa perché è come se

avesse 2000 unità motorie. Le zampette sono quelli

che gli permettono di fare clamping con la parte

posteriore, quindi si attacca con le zampette

posteriori, va ad elongare la parte centrale, va a

rifare clamping con la parte anteriore, stacca le

zampette posteriori e infine ritira la parte centrale.

Questa modalità di locomozione trova applicazione

nella colonscopia. Viene usata per un colonscopio

indolore perché è in grado di attuarsi con un

attuatore fatto da un palloncino che sfrutta lo

stesso principio di locomozione appena visto. Ecco il Rolling Robot. Questo è un altro tipo di robot

con materiale polimerico e all'interno del materiale

polimerico ci sono dei cavetti fatti di lega a memoria

di forma che possono essere deformati. Una volta

che avete fatto passare la corrente, quello che

succede è che si ha il movimento del rolling. Cioè,

proprio anche questo qua è una locomozione bio-

inspirata.

L'altro è il polpo. Il polpo è un animale che è molto

molto forte a discapito di quello che si possa

pensare dai tentacoli. Riesce anche ad allungarsi e

variando la lunghezza del braccio riesce anche ad

afferrare oggetti. Quindi da un punto di vista

ingegneristico questa è un'altra grande sfida,

riuscire a riprodurlo. Il tentacolo può essere un

braccio robotico di nuova generazione, perché può

raggiungere infinità i gradi di libertà del corpo. Può

raggiungere tutte le conformazioni possibilie può

variare la sua rigidezza. Per replicare la variazione di rigidezza si usano materiali compositi dove si

inserisce all’interno una matrice granulare oppure una matrice sensibile alla temperatura. Quando io

vario la forma il materiale all'interno si sposta e diventa più rigido. 83

Il polpo può variare la propria forma anche per andare a prendere quella del mare, dell'ambiente in cui

si trova. Riesce a manipolare oggetti, riesce anche a muovere, a spostare oggetti molto pesanti. I

tentacoli possono effettivamente fare diversi movimenti, quindi possono allungarsi, possono

raccorciarsi, possono fare bending o torsione. Quindi abbiamo detto rolling, bending e torsione.

Le forze possono essere distribuite o localizzate, variando appunto questo parametro di rigidezza del

corpo. Quindi abbiamo questo volume, questo questo corpo idrostatico che ci varia la forza.

[ted talk della professoressa Laschi sul polpo]

Questo è un po' tutta l'idea, quindi traslare, uscire dal paradigma classico