Con un metodo più efficiente per l’impollinazione artificiale, gli agricoltori del futuro potrebbero coltivare frutta e verdura all’interno di magazzini multilivello, aumentando i raccolti e mitigando alcuni degli impatti dannosi dell’agricoltura sull’ambiente.
Per contribuire a trasformare questa idea in realtà, i ricercatori del MIT stanno sviluppando insetti robotici che un giorno potrebbero uscire dagli alveari meccanici per eseguire rapidamente un’impollinazione precisa. Tuttavia, anche i migliori robot delle dimensioni di un insetto non possono competere con gli impollinatori naturali come le api in termini di resistenza, velocità e manovrabilità.
Ora, ispirandosi all’anatomia di questi impollinatori naturali, i ricercatori hanno rivisto il loro design per produrre minuscoli robot aerei molto più agili e resistenti rispetto alle versioni precedenti.
I nuovi robot possono restare sospesi per circa 1.000 secondi, ovvero più di 100 volte in più di quanto dimostrato in precedenza. L’insetto robotico, che pesa meno di una graffetta, può volare molto più velocemente di robot simili mentre completa manovre acrobatiche come i doppi salti mortali aerei.
Il robot rinnovato è progettato per aumentare la precisione e l’agilità del volo riducendo al minimo lo stress meccanico sulle flessioni delle ali artificiali, il che consente manovre più veloci, maggiore resistenza e una maggiore durata.
Il nuovo design ha anche abbastanza spazio libero da consentire al robot di trasportare minuscole batterie o sensori, che potrebbero consentirgli di volare da solo fuori dal laboratorio.
“La quantità di volo che abbiamo dimostrato in questo articolo è probabilmente più lunga dell’intera quantità di volo che il nostro campo è stato in grado di accumulare con questi insetti robotici. Con la maggiore durata e precisione di questo robot, ci stiamo avvicinando ad alcune applicazioni molto interessanti , come l’impollinazione assistita,” dice Kevin Chen, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS), capo del Laboratorio di Soft e Micro Robotica all’interno del Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE), e autore senior di uno studio documento ad accesso aperto sul nuovo design.
Chen è affiancato nell’articolo dai co-autori principali Suhan Kim e Yi-Hsuan Hsiao, che sono studenti laureati EECS; così come lo studente laureato EECS Zhijian Ren e lo studente in visita estiva Jiashu Huang. La ricerca appare oggi in Robotica scientifica.
Migliorare le prestazioni
Le versioni precedenti dell’insetto robotico erano composte da quattro unità identiche, ciascuna con due ali, combinate in un dispositivo rettangolare delle dimensioni di una microcassetta.
“Ma non esiste un insetto che abbia otto ali. Nel nostro vecchio progetto, le prestazioni di ogni singola unità erano sempre migliori rispetto al robot assemblato”, afferma Chen.
Questo calo di prestazioni era in parte causato dalla disposizione delle ali, che soffiavano aria l’una nell’altra quando sbattevano, riducendo le forze di portanza che potevano generare.
Il nuovo design taglia il robot a metà. Ognuna delle quattro unità identiche ora ha un’ala che batte in direzione opposta al centro del robot, stabilizzando le ali e aumentandone la forza di sollevamento. Con la metà delle ali, questo design libera anche spazio in modo che il robot possa trasportare componenti elettronici.
Inoltre, i ricercatori hanno creato trasmissioni più complesse che collegano le ali agli attuatori, o muscoli artificiali, che le sbattono. Queste trasmissioni durevoli, che hanno richiesto la progettazione di cerniere ad ala più lunghe, riducono lo sforzo meccanico che limitava la resistenza delle versioni precedenti.
“Rispetto al vecchio robot, ora possiamo generare una coppia di controllo tre volte maggiore rispetto a prima, motivo per cui possiamo eseguire voli di ricerca del percorso molto sofisticati e molto accurati”, afferma Chen.
Eppure, nonostante queste innovazioni progettuali, c’è ancora un divario tra i migliori insetti robotici e quelli reali. Ad esempio, un’ape ha solo due ali, ma può eseguire movimenti rapidi e altamente controllati.
“Le ali delle api sono controllate con precisione da una serie di muscoli molto sofisticati. Questo livello di messa a punto è qualcosa che ci incuriosisce davvero, ma che non siamo ancora stati in grado di replicare”, afferma.
Meno sforzo, più forza
Il movimento delle ali del robot è guidato da muscoli artificiali. Questi piccoli e morbidi attuatori sono costituiti da strati di elastomero inseriti tra due elettrodi di nanotubi di carbonio molto sottili e poi arrotolati in un cilindro soffice. Gli attuatori si comprimono e si allungano rapidamente, generando una forza meccanica che fa sbattere le ali.
Nei progetti precedenti, quando i movimenti dell’attuatore raggiungevano le frequenze estremamente elevate necessarie per il volo, i dispositivi spesso iniziavano a deformarsi. Ciò riduce la potenza e l’efficienza del robot. Le nuove trasmissioni inibiscono questo movimento di flessione-instabilità, che riduce lo sforzo sui muscoli artificiali e consente loro di applicare più forza per sbattere le ali.
Un altro nuovo design prevede una lunga cerniera dell’ala che riduce lo stress torsionale sperimentato durante il movimento dell’ala. La realizzazione della cerniera, lunga circa 2 centimetri ma con un diametro di soli 200 micron, è stata una delle sfide più grandi.
“Se si verifica anche un piccolo problema di allineamento durante il processo di fabbricazione, la cerniera dell’ala sarà inclinata anziché rettangolare, il che influisce sulla cinematica dell’ala”, afferma Chen.
Dopo molti tentativi, i ricercatori hanno perfezionato un processo di taglio laser in più fasi che ha consentito loro di fabbricare con precisione ciascuna cerniera dell’ala.
Con tutte e quattro le unità posizionate, il nuovo insetto robotico può restare sospeso per più di 1.000 secondi, che equivalgono a quasi 17 minuti, senza mostrare alcun peggioramento della precisione di volo.
“Quando il mio studente Nemo stava eseguendo quel volo, disse che erano stati i 1.000 secondi più lenti che avesse trascorso in tutta la sua vita. L’esperimento è stato estremamente snervante”, dice Chen.
Il nuovo robot ha anche raggiunto una velocità media di 35 centimetri al secondo, hanno riferito i ricercatori di volo più veloci, mentre eseguiva rollio e doppie capriole. Può anche tracciare con precisione una traiettoria che rappresenta il MIT.
“Alla fine, abbiamo dimostrato un volo 100 volte più lungo di quanto chiunque altro sul campo sia stato in grado di fare, quindi questo è un risultato estremamente entusiasmante”, afferma.
Da qui, Chen e i suoi studenti vogliono vedere fino a che punto possono spingersi questo nuovo progetto, con l’obiettivo di raggiungere un volo per più di 10.000 secondi.
Vogliono anche migliorare la precisione dei robot in modo che possano atterrare e decollare dal centro di un fiore. A lungo termine, i ricercatori sperano di installare minuscole batterie e sensori sui robot aerei in modo che possano volare e navigare fuori dal laboratorio.
“Questa nuova piattaforma robotica è un risultato importante del nostro gruppo e porta a molte direzioni interessanti. Ad esempio, l’integrazione di sensori, batterie e capacità di calcolo su questo robot sarà un obiettivo centrale nei prossimi tre-cinque anni”, afferma Chen.
Questa ricerca è finanziata, in parte, dalla National Science Foundation degli Stati Uniti e da una Mathworks Fellowship.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
