Quel robot ha i muscoli d'acciaio
di Giuliano Aluffi , di Giuliano AluffiSviluppati da alcuni ricercatori italiani, sono di piccole dimensioni e possono sollevare fino a 70 volte il loro peso. Saranno cruciali per le "macchine" del futuro. Intervista con Marco Fontana, uno degli sviluppatori
Il nuovo supermuscolo artificiale per robot “soffici” e di piccole dimensioni è italiano. Può sollevare fino a 70 volte il suo peso, è economico da produrre e se ne possono mettere diversi in serie in modo da dare al robot ancora più forza. Inoltre il muscolo può diventare un generatore che riconverte fino al 20% dell’energia meccanica delle sue pulsazioni in elettricità, ed è quindi promettente per i robot autonomi alimentati da batterie, perché può allungarne la durata. Lo hanno sviluppato ricercatori della Scuola Sant’Anna di Pisa e delle Università di Trento e di Bologna, ed è descritto in uno studio pubblicato su Science Robotics con primo autore Marco Fontana, docente di ingegneria meccanica alla Scuola Sant’Anna. Il muscolo funziona grazie a una struttura fatta di sottili pellicole polimeriche, simile al mantice di una fisarmonica e quindi in grado di allungarsi e contrars…
Il nuovo supermuscolo artificiale per robot “soffici” e di piccole dimensioni è italiano. Può sollevare fino a 70 volte il suo peso, è economico da produrre e se ne possono mettere diversi in serie in modo da dare al robot ancora più forza. Inoltre il muscolo può diventare un generatore che riconverte fino al 20% dell’energia meccanica delle sue pulsazioni in elettricità, ed è quindi promettente per i robot autonomi alimentati da batterie, perché può allungarne la durata. Lo hanno sviluppato ricercatori della Scuola Sant’Anna di Pisa e delle Università di Trento e di Bologna, ed è descritto in uno studio pubblicato su Science Robotics con primo autore Marco Fontana, docente di ingegneria meccanica alla Scuola Sant’Anna. Il muscolo funziona grazie a una struttura fatta di sottili pellicole polimeriche, simile al mantice di una fisarmonica e quindi in grado di allungarsi e contrarsi: a determinare questi movimenti sono forze di attrazione elettrostatica. Questo tipo di muscoli, leggeri e di piccole dimensioni, diventeranno cruciali per i robot del futuro, che saranno sempre più diffusi e si troveranno ad operare autonomamente in spazi condivisi con gli umani, dove robot grandi e pesanti non sarebbero pratici.
Professor Fontana, come è nata questa ricerca?
L’idea di poter realizzare un muscolo artificiale basato su forze elettrostatiche che facesse uso di pellicole sottili di materiale plastico è nata circa 5 anni fa. In verità, i primi tentativi svolti in collaborazione con il professor Vertechy (docente di Meccanica Applicata all'Università di Bologna, coautore anche del nuovo studio) non erano così promettenti: avevamo svolto alcuni esperimenti che non utilizzavano materiali adatti e questo non consentiva di ottenere performance eccezionali. L’idea giusta è arriva a fine 2019 con un design basato su una struttura a forma di mantice (da cui il nome Electrostatic Bellow Muscle - EBM) e per il quale, anche grazie alla collaborazione con il professor Fambri e la professoressa Dirè (Università di Trento), abbiamo identificato i materiali ottimali.
E quali sono questi materiali?
Abbiamo provato pellicole sottili di diversi materiali isolanti incluso polipropilene biorientato (BOPP), polistirene, politetrafluoroetilene (PTFE). I migliori risultati li abbiamo ottenuti con pellicole di poliimide (il nome commerciale è Kapton), che è il materiale comunemente utilizzato per i circuiti stampati flessibili.
Come funziona il muscolo?
La sua struttura è del tutto simile a un mantice di una fisarmonica che si allunga e si contrare. La forza di contrazione è prodotta da forze elettrostatiche, ovvero le forze di attrazione tra cariche positive e negative che vengono disposte opportunamente sulla superficie del mantice. Questa soluzione permette di ottenere un dispositivo molto compatto e semplice da utilizzare.
Quali sono le caratteristiche più salienti di questi nuovi muscoli artificiali?
Oltre alle performance in termini di forza, velocità e potenza che risultano molto elevate in rapporto alla dimensione/peso dei dispositivi, l'EBM ha diverse particolarità. Innanzitutto è multifunzionale, ovvero ha la capacità di integrare, in unico sistema, funzionalità che di solito richiedono dispositivi differenti. L’EBM è appunto un muscolo artificiale che si contrae quando viene attivato elettricamente, ma può essere impiegato anche come una pompa, per pressurizzare un fluido per l'azionamento di un robot. Al tempo stesso, EBM può essere utilizzato come generatore consentendo di recuperare l'energia durante le fasi passive, aumentando la durata della batteria del sistema, proprio come avviene per le auto elettriche che riciclano energia durante la frenata. La cosa interessante è che lo stesso dispositivo può passare da una di queste funzionalità a un'altra senza richiedere modifiche. La seconda caratteristica interessante è la versatilità: grazie alla sua struttura modulare, il muscolo può essere facilmente adattato per rispondere a diverse tipologie e specifiche di movimento. Questo permette di integrare questi dispositivi in numerosi sistemi robotici differenti. La terza caratteristica è il basso costo: le sottili pellicole plastiche impiegate per realizzarli risultano assai economiche, e i relativi processi di fabbricazione sono adatti alla produzione in serie su larga scala.
Cosa distingue il nuovo muscolo dai muscoli artificiali attualmente esistenti?
Altri muscoli artificiali possono avere caratteristiche singole migliori ma nessuno presenta il bilanciamento complessivo dei muscoli dell'uomo. Gli EBM in questo senso si avvicinano molto alle caratteristiche dei muscoli della natura.
Quali robot potranno trarre vantaggio da questi muscoli?
Oggi esistono alcune applicazioni che non sono sviluppate a pieno proprio perché non sono disponibili motori/muscoli adatti che potrebbero beneficiare delle particolarità del EBM. Ad esempio le protesi robotiche e i robot indossabili potrebbero beneficiare dell'elevato rapporto forza-peso e dell'efficienza energetica dell'EBM per poter operare in modo efficace e con una durata prolungata della batteria. Oppure i piccoli robot di ispezione su zampe o volanti potrebbero beneficiare dell'elevato rapporto forza-peso e dell'efficienza dell'EBM. Questi robot autonomi potrebbero essere utilizzati per ispezioni e per il supporto di operazioni di salvataggio. Un esempio: un piccolo robot che riesce a inserirsi tra le macerie per ricercare superstiti. Stiamo inoltre lavorando alla miniaturizzazione di questi dispositivi per realizzare dei sistemi di pochi millimetri di dimensione questo aprirebbe ulteriori prospettive di applicazioni.
Professor Fontana, come è nata questa ricerca?
L’idea di poter realizzare un muscolo artificiale basato su forze elettrostatiche che facesse uso di pellicole sottili di materiale plastico è nata circa 5 anni fa. In verità, i primi tentativi svolti in collaborazione con il professor Vertechy (docente di Meccanica Applicata all'Università di Bologna, coautore anche del nuovo studio) non erano così promettenti: avevamo svolto alcuni esperimenti che non utilizzavano materiali adatti e questo non consentiva di ottenere performance eccezionali. L’idea giusta è arriva a fine 2019 con un design basato su una struttura a forma di mantice (da cui il nome Electrostatic Bellow Muscle - EBM) e per il quale, anche grazie alla collaborazione con il professor Fambri e la professoressa Dirè (Università di Trento), abbiamo identificato i materiali ottimali.
E quali sono questi materiali?
Abbiamo provato pellicole sottili di diversi materiali isolanti incluso polipropilene biorientato (BOPP), polistirene, politetrafluoroetilene (PTFE). I migliori risultati li abbiamo ottenuti con pellicole di poliimide (il nome commerciale è Kapton), che è il materiale comunemente utilizzato per i circuiti stampati flessibili.
Come funziona il muscolo?
La sua struttura è del tutto simile a un mantice di una fisarmonica che si allunga e si contrare. La forza di contrazione è prodotta da forze elettrostatiche, ovvero le forze di attrazione tra cariche positive e negative che vengono disposte opportunamente sulla superficie del mantice. Questa soluzione permette di ottenere un dispositivo molto compatto e semplice da utilizzare.
Quali sono le caratteristiche più salienti di questi nuovi muscoli artificiali?
Oltre alle performance in termini di forza, velocità e potenza che risultano molto elevate in rapporto alla dimensione/peso dei dispositivi, l'EBM ha diverse particolarità. Innanzitutto è multifunzionale, ovvero ha la capacità di integrare, in unico sistema, funzionalità che di solito richiedono dispositivi differenti. L’EBM è appunto un muscolo artificiale che si contrae quando viene attivato elettricamente, ma può essere impiegato anche come una pompa, per pressurizzare un fluido per l'azionamento di un robot. Al tempo stesso, EBM può essere utilizzato come generatore consentendo di recuperare l'energia durante le fasi passive, aumentando la durata della batteria del sistema, proprio come avviene per le auto elettriche che riciclano energia durante la frenata. La cosa interessante è che lo stesso dispositivo può passare da una di queste funzionalità a un'altra senza richiedere modifiche. La seconda caratteristica interessante è la versatilità: grazie alla sua struttura modulare, il muscolo può essere facilmente adattato per rispondere a diverse tipologie e specifiche di movimento. Questo permette di integrare questi dispositivi in numerosi sistemi robotici differenti. La terza caratteristica è il basso costo: le sottili pellicole plastiche impiegate per realizzarli risultano assai economiche, e i relativi processi di fabbricazione sono adatti alla produzione in serie su larga scala.
Cosa distingue il nuovo muscolo dai muscoli artificiali attualmente esistenti?
Altri muscoli artificiali possono avere caratteristiche singole migliori ma nessuno presenta il bilanciamento complessivo dei muscoli dell'uomo. Gli EBM in questo senso si avvicinano molto alle caratteristiche dei muscoli della natura.
Quali robot potranno trarre vantaggio da questi muscoli?
Oggi esistono alcune applicazioni che non sono sviluppate a pieno proprio perché non sono disponibili motori/muscoli adatti che potrebbero beneficiare delle particolarità del EBM. Ad esempio le protesi robotiche e i robot indossabili potrebbero beneficiare dell'elevato rapporto forza-peso e dell'efficienza energetica dell'EBM per poter operare in modo efficace e con una durata prolungata della batteria. Oppure i piccoli robot di ispezione su zampe o volanti potrebbero beneficiare dell'elevato rapporto forza-peso e dell'efficienza dell'EBM. Questi robot autonomi potrebbero essere utilizzati per ispezioni e per il supporto di operazioni di salvataggio. Un esempio: un piccolo robot che riesce a inserirsi tra le macerie per ricercare superstiti. Stiamo inoltre lavorando alla miniaturizzazione di questi dispositivi per realizzare dei sistemi di pochi millimetri di dimensione questo aprirebbe ulteriori prospettive di applicazioni.