La robotica diventa soft

La robotica soft ci permette di immaginare robot del futuro che si allungano, che si deformano, che si adattano a spazi ristretti, che crescono, che si evolvono e che imparano, per mettersi al servizio delle persone in maniera più efficace, più efficiente, più naturale.
Di Cecilia Laschi, Scuola Superiore Sant'Anna, Istituto di BioRobotica, Pisa

Secondo molti osservatori, la robotica sta vivendo un momento storico, perché la tecnologia sembra pronta per una diffusione massiva, in molti aspetti della nostra vita quotidiana. Se pensiamo a un robot oggi, però, qual è l’immagine che ci appare mentalmente? Sicuramente c’è una componente condizionata dalla vasta letteratura fantascientifica, sia cinematografica che letteraria. Poi ci sono i robot frutto della ricerca scientifica e tecnologica svolta in questa disciplina in tutto il mondo. Pensati per svolgere varie attività al servizio dell’uomo, essi sono tuttavia essenzialmente prototipi, non ancora utilizzati in contesti reali.

I robot reali che invece sono già nella nostra vita quotidiana sono i robot che producono moltissimi degli oggetti che utilizziamo quotidianamente, dall’auto allo smart phone. I robot utilizzati nella produzione industriale, già da decenni, sono ormai indispensabili e hanno raggiunto un livello di accuratezza, velocità e robustezza molto elevati.

Ci sono anche alcuni robot di servizio nelle nostre vite quotidiane, come i robot aspirapolvere o quelli che puliscono le piscine, i robot artificieri utilizzati dalla polizia o i robot utilizzati nelle esplorazioni spaziali o negli interventi sottomarini. Sono questi i robot destinati a inserirsi nella società e mettersi al servizio delle persone? Qualunque sia l’immagine che abbiamo dei robot, quelli che conosciamo tendono a essere ancora complessi, difficili da immaginare ben integrati nella nostra vita quotidiana, negli ambienti che siamo abituati a vivere, nel mondo reale. Viceversa, se pensiamo a un animale, la prima differenza che notiamo è che il loro comportamento nel mondo reale risulta armonioso, efficace ed efficiente, pur nella complessità dei loro sistemi percettivi e motori.

Ecco allora che la robotica può prendere ispirazione dalla natura, secondo l’approccio ben noto e proficuo della robotica bioispirata, per scoprire i meccanismi di semplificazione che permettono agli esseri viventi di controllare in maniera semplice il comportamento di un sistema complesso. Uno dei concetti da sfruttare in robotica è la cosiddetta embodied intelligence, una visione moderna dell’intelligenza che sposta l’attenzione dal cervello al corpo e che ci dice che una parte del controllo motorio e del comportamento senso-motorio sono svolti dal corpo stesso, in virtù delle sue proprietà meccaniche e della sua interazione con l’ambiente. Per esempio, la cedevolezza delle articolazioni degli animali, anziché essere uno svantaggio come in robotica, è utilizzata per adattarsi all’ambiente, per compensare le forze di interazione, anche semplicemente quando si cammina su un terreno con delle asperità.

Un nuovo approccio si rende però necessario per far fronte a questa crescente necessità di robot nelle attività sociali, in ambienti non strutturati, a contatto con gli esseri umani: un approccio che apra nuovi scenari per la robotica, che superino la concezione tradizionale della struttura rigida dei robot, a favore dell’introduzione di parti robotiche “morbide”, cedevoli, capaci di adattarsi alle forze provenienti dall’interazione con l’ambiente.

Da qui si sviluppa la soft robotics, campo interdisciplinare che si occupa di robot costruiti con materiali morbidi o strutture deformabili, in grado di interagire con gli esseri umani e l’ambiente circostante. La soft robotics non è solo una nuova frontiera dello sviluppo tecnologico, ma un nuovo modo di avvicinarsi alla robotica scardinando le convenzioni e sfruttando un potenziale tutto nuovo per la produzione di una nuova generazione di robot capaci di sostenere l’uomo in ambienti naturali. La soft robotics è una disciplina relativamente recente ma si sta sviluppando velocemente e largamente nel mondo, sulla base di un’ampia produzione scientifica, corrispondente a un ricco panorama di tecnologie abilitanti e robot soft realizzati nel mondo. In buona parte, tali risultati sono stati raggiunti con un approccio bioispirato, cioè prendendo ispirazione da modelli animali o vegetali. È questo il caso delle tecnologie derivanti dallo studio del polpo comune, un modello eccellente per la soft robotics, così come per l’embodied intelligence.

Questo animale, infatti, è un mollusco senza scheletro, con un comportamento ricco in termini di abilità di presa, manipolazione, locomozione. Lo studio dei suoi tessuti e della struttura muscolare del suo braccio hanno permesso di identificare i principi fondamentali che permettono di controllare la cedevolezza di un arto e ottenere forze anche senza parti rigide. Il progetto OCTOPUS, finanziato dalla Commissione Europea, ha permesso a un consorzio di scienziati di discipline diverse, guidati dall’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, di affrontare la grande sfida di realizzare un robot polpo. Riprendendo il principio alla base della struttura muscolare del braccio del polpo, che grazie a fibre longitudinali e trasversali può flettersi in ogni direzione e in ogni punto del braccio e può aumentare la rigidezza attraverso contrazioni simultanee, sono stati realizzati bracci robotici con materiali morbidi, come il silicone, o strutture cedevoli, come guaine a fibre intrecciate.

Per imitare le contrazioni muscolari sono state utilizzate tecnologie quali i polimeri elettroattivi o le leghe a memoria di forma, materiali con la proprietà di deformarsi in un modo che può essere controllato elettricamente. Sebbene il prototipo OCTOPUS sia stato realizzato e abbia dimostrato che è possibile realizzare robot morbidi, il grande contributo di questa ricerca è stato dimostrare un approccio alternativo e radicalmente innovativo alla robotica. Le tecnologie di soft robotics realizzate nel progetto OCTOPUS e quelle realizzate in altri progetti, in varie parti del mondo, grazie alla grande diffusione di questa nuova disciplina, stanno trovando applicazione in molti settori diversi, dalle esplorazioni in ambienti ostili, come quello sottomarino, all’ambito biomedico. L’assistenza personale rappresenta un ambito ideale di applicazione per la robotica soft, dato che i robot soft possono garantire più facilmente un’interazione sicura ed efficace con la persona da assistere.

Con le tecnologie proprie della robotica soft è possibile costruire robot che possano essere utilizzati per mantenere più a lungo l’indipendenza nell’età anziana, anche in ambiti molto legati alla privacy, come l’igiene e la cura della persona. In questo contesto è stata concepita l’idea di sviluppare un braccio robotico per assolvere alla cura personale di persone anziane non più in grado di provvedere alla propria igiene personale e in particolare a lavare alcune zone del corpo più difficili da raggiungere.

Il braccio robotico I-SUPPORT, dal nome del progetto finanziato dalla Commissione Europea, è pensato per essere installato nell’ambiente della doccia per aiutare a lavarsi, distribuendo detergenti e acqua e detergendo delicatamente la pelle.

Anche la chirurgia minimamente invasiva è un ambito in cui le tecnologie della soft robotics si inseriscono perfettamente, grazie alle caratteristiche di intrinseca sicurezza, destrezza e cedevolezza controllabile. Il progetto europeo STIFF-FLOP ha portato a sviluppare un nuovo tipo di strumento chirurgico capace di allungarsi, piegarsi in ogni direzione e irrigidire selettivamente parti della sua struttura. Il suo corpo è modulare ed è principalmente composto da silicone in cui alloggiano una serie di camere pneumatiche.

La destrezza e l’interazione sicura sono garantite, ma una volta raggiunto il sito operatorio il sistema deve essere in grado di irrigidirsi per trasmettere forze più elevate. Questo è ottenuto con un sistema di irrigidimento basato sul principio del granular jamming, che è integrato in una quarta camera disposta centralmente.

Oltre a permettere la realizzazione di dispositivi biomedici usati nella pratica clinica o nell’assistenza personale, la robotica soft trova applicazione in medicina anche da una prospettiva diversa. I simulatori sono oggi essenziali nella formazione dei medici e le tecnologie di robotica soft possono essere molto utili per costruire simulatori realistici, con materiali che simulano i tessuti umani e con contrazioni e movimenti simili a quelli naturali.

È questo il caso di un simulatore fisico di laringe, con corde vocali costituite di strati con livelli diversi di rigidezza, in grado di vibrare al passaggio di un flusso d’aria, o di un simulatore di polmoncini di neonati pretermine, per la formazione alle procedure della terapia intensiva. Le conoscenze su come utilizzare materiali cedevoli per costruire robot e dispositivi che possono deformarsi in maniera accuratamente controllata, producendo forze opportune, rappresentano un ulteriore strumento per l’avanzamento della robotica.

La robotica soft ci permette di immaginare robot del futuro che si allungano, che si deformano, che si adattano a spazi ristretti, che crescono, che si evolvono e che imparano, per mettersi al servizio delle persone in maniera più efficace, più efficiente, più naturale.



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