Come si distribuisce un sensore ambientale per raccogliere le letture dei cambiamenti climatici per un periodo prolungato su un’isola disabitata senza fallire? Come si alimenta un rilevatore sismico affinché funzioni per mesi in una grotta sottomarina?
(Da sinistra) Il ricercatore laureato Vishrut Deshpande e il professore associato Suyi Li ispezionano un prototipo di robot ispirato alle piante. Illustrazione di Alex Parrish per Virginia Tech.
In ambienti difficili da raggiungere a causa dei pericoli o delle difficoltà per l’uomo, un dispositivo che si comporti come una pianta autoctona potrebbe essere la risposta. Questo approccio è stato adottato da Suyi Li, professore associato in industria meccanica presso Virginia Tech e professore e collaboratore di Clemson Ian Walker. Il loro lavoro sta avanzando grazie ad un programma quadriennale, Sovvenzione di 840.000 dollari dalla National Science Foundation.
“Quando ho iniziato ad avventurarmi nella robotica qualche anno fa, sono rimasto sorpreso nel vedere che quasi tutti i robot sono ispirati in una certa misura agli esseri umani e agli animali”, ha detto Li. “Tuttavia, credo che il vasto regno vegetale possa offrirci molte lezioni uniche sull’approccio alla progettazione, all’attuazione e al funzionamento dei robot. È così che io e Ian abbiamo iniziato a lavorare insieme su questo argomento. “
Li ha istituito un gruppo di ricerca che implementa i principi dell’origami creare nuove forme di robotica morbida con strutture uniche. Walker, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Clemson, porta con sé un ricco background di robotica ispirata alla biologia che abbraccia due decenni. La loro proposta mira a creare un’ampia base per nuovi progetti, creando robotica con tecnologia in grado di sopravvivere in condizioni selvagge a lungo termine.
Robot allo stato brado
Unire l’elettronica all’avanguardia con l’imprevedibilità della natura è tipicamente uno scontro di mondi. La tecnologia può essere un punto di forza quando l’elettricità è disponibile e l’ambiente è prevedibile o controllato. Tali misure si interrompono quando le batterie si scaricano e le parti si rompono.
Ciò non ha impedito alla tecnologia di farsi strada all’esterno, ma le sfide sono seguite. Altri ricercatori hanno recentemente implementato sensori per rilevamento di incendi in località remote della California e dell’Oregon, ma hanno dovuto affrontare problemi come la navigazione in aree rocciose ad alta quota e le particolarità delle terre protette.
I dispositivi che devono essere sempre accesi e programmati per rilevare cose come particelle sospese nell’aria o razze rare di uccelli generalmente devono affrontare due grandi ostacoli: il tempo e l’ambiente. Queste sono le principali sfide che il team di Li sta affrontando. L’obiettivo non è combattere contro il flusso della natura, ma incanalare l’approccio stesso utilizzato dalla natura per produrre una robotica più adattiva.
“Come esseri umani, tendiamo naturalmente a pensare al cambiamento sulla scala temporale della nostra capacità di attenzione, come secondi e minuti”, ha detto Walker. “Tuttavia, le implementazioni continue e a lungo termine all’aperto pongono sfide alternative e uniche. Nel corso di settimane e mesi, gli ambienti naturali esterni sono luoghi altamente dinamici. La vegetazione cresce e i detriti cadono durante le tempeste. Il funzionamento robotico in queste condizioni deve diventare più simile all’ambiente ambientale in nuovi modi per mantenere il monitoraggio”.
Robot che crescono e si adattano
Li e Walker non creeranno piante robotiche né realizzeranno sensori che crescono dai semi. Invece, il loro lavoro trarrà vantaggio dalle intuizioni fornite dalla natura che si sono dimostrate durevoli nel lungo termine. Quei meccanismi naturali saranno convertiti in meccanismi che si adatteranno e risponderanno ai loro ambienti.
Quali caratteristiche delle piante sono sul loro radar? Hanno preso di mira la capacità di muoversi con il sole, mostrata in comportamento dei girasoli. Interessanti sono anche gli organi floreali che si aprono e si chiudono, come a Venere acchiappamosche. Hanno anche preso appunti da piante che si attaccano a un oggetto in modo adattivo, come il avvolgimento delle viti attorno ad un albero. Tutte queste azioni sono il risultato dell’adattamento della pianta all’ambiente circostante e ciascuna ha una serie di meccanismi che rendono possibile l’azione. Alcune azioni sono più veloci, come la cattura acchiappamosche. Alcuni sono più lenti, come la spirale costante delle viti.
Per mettere insieme queste caratteristiche nella robotica, Li e Walker hanno unito i loro sforzi per imitare i comportamenti delle piante e confezionarli come un insieme di robotica innovativa.
Il team di Li utilizzerà la propria esperienza nell’ingegneria attraverso gli origami per creare bauli robotici simili a fisarmoniche che possono aprirsi e bloccarsi da soli, abbinandoli alla conoscenza di Walker dell’elettronica di ispirazione biologica per creare un contenitore che sia durevole e capace di rispondere alle dinamiche di un ambiente esterno. Questo tronco avrebbe la capacità di adattarsi agli spazi congestionati che potrebbero formarsi man mano che il fogliame cresce e diventa spesso. Adattarsi in questo modo ha il potenziale per superare gli ostacoli che normalmente potrebbero interrompere il funzionamento di un robot.
Per percepire il movimento dell’ambiente, Li e Walker prevedono di utilizzare il modello delle foglie e degli aghi degli alberi per guidare la loro progettazione. Queste estensioni saranno dotate di dispositivi che guideranno il funzionamento e l’azione di “crescita”, fornendo informazioni sui cambiamenti in tempo reale all’elettronica contenuta nel bagagliaio per dire al robot come adattarsi. Questi potrebbero includere elementi come sensori di luce, prendendo spunto dai girasoli. Gli aghi bio-ispirati potrebbero anche interagire con l’ambiente per mettere da parte il fogliame che interferisce con il monitoraggio ambientale.
“La natura fornisce un’enorme varietà di prove di esistenza su come le strutture robotiche potrebbero essere progettate e funzionate”, ha affermato Walker. “In particolare, le caratteristiche del comportamento delle piante forniscono informazioni su come i sistemi possono adattarsi e prosperare con successo nell’ambiente naturale”.
Fornire energia ai dispositivi elettronici è fondamentale poiché i robot non possono funzionare con batterie scariche, ma mantenere una fonte elettrica è difficile in luoghi difficili da raggiungere per gli esseri umani. A causa di questa necessità, la raccolta di energia che imita le piante reali può continuare ad alimentare un robot e impedirgli di perdere dati cruciali laddove la sostituzione delle batterie non è un’opzione. Il team di Li e Walker sta svolgendo un lavoro preliminare sui metodi necessari per alimentare la robotica, basandosi sul lavoro iniziale che include anche l’efficienza energetica. Utilizzando nuovi approcci di raccolta con un consumo leggero di energia, i ricercatori possono affrontare la sfida di far funzionare un robot per lunghi periodi di tempo, il che è importante quando si distribuiscono sensori in aree imprevedibili, inospitali o remote.
L’approccio per ciascun robot ispirato alle piante sarà inoltre adattato al periodo di tempo durante il quale opererà. L’approccio di Li e Walker per un robot che misura i livelli di inquinamento a lungo termine nel corso di mesi o anni, ad esempio, sarà diverso da quello di un robot incaricato di avvistamenti di animali rari per giorni o settimane.
Alla fine, il gruppo spera di costruire una nuova generazione di robot in grado di adattarsi e proteggere il nostro ambiente nel corso di mesi e anni, monitorando processi a cambiamento lento come la temperatura e l’umidità, nonché eventi che si verificano rapidamente come gli incendi.
“Quando si monitorano gli ambienti urbani, avere dispositivi statici non è un problema perché l’ambiente è controllato”, ha affermato Li. “Ma in aree come le barriere coralline o le foreste con ambienti dinamici e volatili, avere una pianta robotica in grado di crescere e adattarsi al suo ambiente invece di dover essere sostituita e spostata dagli esseri umani rivoluzionerà il modo in cui siamo in grado di studiare e monitorare le regioni remote. “
Fonte: VirginiaTech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
