Negli ultimi anni, grazie al progresso della scienza dei materiali, i risultati della ricerca sui robot morbidi sono stati notevoli. Rispetto ai tradizionali robot rigidi, il design dei robot morbidi si ispira ai sistemi biologici in natura, come vermi, polpi, gechi e rane. aspetta. Queste creature utilizzano materiali morbidi ed elastici per dimostrare una locomozione notevole in ambienti complessi. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, i robot morbidi si affidano all'alimentazione esterna o alla potenza di guida e sono collegati tramite cavi fisici, con conseguente gamma limitata di attività. Inoltre, anche il peso degli attuatori morbidi tradizionali come gli attuatori di rete pneumatica (pneu-net) è diventato un fattore chiave che limita il funzionamento senza restrizioni dei robot morbidi.

Per risolvere questo problema, l'attuatore morbido FiBa (film balloon) sviluppato dal team del professor MICHINAO HASHIMOTO e dai suoi collaboratori presso la Singapore University of Technology and Design (SUTD) ha introdotto nuove innovazioni nel campo dei robot morbidi.

Il 17 luglio 2024 i risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science Robotics con il titolo "Crawling, climbing, perching, and flying by FiBa soft robots".

L'attuatore morbido FiBa è progettato con silicone Dragon Skin 30 e pellicola polimerica con curvatura laterale

L'attuatore morbido FiBa adotta un design strutturale unico che combina un palloncino pneumatico stampato in 3D con una pellicola polimerica con curvatura laterale. Il vantaggio di questo design è che può ridurre efficacemente il peso dell'attuatore mantenendone le caratteristiche multifunzionali, ottenendo così un funzionamento senza vincoli.

Rispetto ai tradizionali materiali in gomma siliconica, gli attuatori FiBa utilizzano il silicone Dragon Skin 30, che ha un modulo elastico più elevato (circa 593 kPa), che può fornire capacità di guida più forti senza aggiungere troppo peso. L'elevato modulo elastico significa che a parità di volume, il silicone Dragon Skin 30 può generare una maggiore pressione interna, migliorando così gli effetti di flessione e guida dell'attuatore.

Un altro componente chiave dell'attuatore FiBa è un film polimerico con curvatura laterale. Questo materiale del film non è solo leggero, ma ha anche una buona flessibilità e plasticità. Introducendo il design della curvatura laterale, la rigidità locale del film viene migliorata, consentendo la flessione direzionale quando gonfiato e il rapido ritorno alla sua forma originale dopo lo sgonfiaggio. I ricercatori hanno affermato che progettando la curvatura laterale, le proprietà di flessione del film polimerico vengono notevolmente migliorate, migliorando così le prestazioni complessive e l'affidabilità dell'attuatore.

Vale la pena menzionare che i materiali tradizionali in pellicola piana sono inclini a torsioni e piegature irregolari quando sottoposti a forze esterne. Introducendo il design della curvatura laterale, le caratteristiche di piegatura della pellicola vengono migliorate direzionalmente. Quando il palloncino viene gonfiato, la pellicola si piega lungo la direzione di curvatura preimpostata, generando così una forza motrice stabile. Questa caratteristica di piegatura direzionale non solo migliora la precisione di controllo dell'attuatore, ma ne estende anche la durata.

Il design della curvatura laterale aiuta anche a migliorare l'affidabilità strutturale e la durata dell'attuatore. Durante il processo di sgonfiaggio, la pellicola può tornare rapidamente alla sua forma originale, evitando il degrado delle prestazioni e i danni strutturali causati dalla deformazione a lungo termine. Inoltre, ottimizzando i parametri di curvatura e lo spessore della pellicola, l'angolo di piegatura e la forza motrice dell'attuatore possono essere ulteriormente regolati per soddisfare le esigenze di diversi scenari applicativi.

In termini di progettazione, l'attuatore FiBa adotta un approccio di progettazione modulare, che include il modulo di flessione FiBa e il modulo di trave a rigidità variabile FiBa. Grazie alla progettazione modulare, i ricercatori possono rapidamente prototipare l'attuatore ed eseguire un'ottimizzazione iterativa. Diversi moduli possono essere combinati in attuatori di varie forme e funzioni per soddisfare le esigenze di diversi scenari applicativi. Questa capacità di prototipazione rapida non solo accelera il ciclo di sviluppo del prodotto, ma riduce anche i rischi di costo.

La struttura modulare dell'attuatore FiBa è anche altamente personalizzabile. Regolando i parametri di numero, disposizione e dimensione dei moduli, i ricercatori possono personalizzare l'attuatore per adattarlo a diversi ambienti e attività. Ad esempio, in un robot da arrampicata, la capacità di arrampicata e la stabilità del robot possono essere migliorate aumentando il numero e la disposizione dei moduli di presa e dei moduli di piegatura.

Per ottenere un funzionamento senza restrizioni, l'attuatore FiBa integra anche componenti elettronici quali pompe pneumatiche, valvole, batterie e schede di controllo. Nella selezione dei componenti elettronici, i ricercatori si concentrano sulla loro leggerezza e alta efficienza. Ad esempio, l'uso di micro pompe pneumatiche e valvole può ridurre il peso complessivo del sistema, mentre l'uso di batterie ad alte prestazioni e schede di controllo può migliorare l'efficienza energetica e la stabilità del sistema. I componenti elettronici leggeri consentono all'attuatore FiBa di funzionare stabilmente per lungo tempo in un ambiente senza restrizioni.

In termini di integrazione, i ricercatori riducono le interferenze del segnale e la perdita di energia ottimizzando la disposizione e la connessione dei componenti elettronici e migliorano l'affidabilità e la sicurezza del sistema aggiungendo funzioni ridondanti di progettazione e diagnosi dei guasti.

▍Discussione su quattro forme di robot morbidi FiBa e scenari di atterraggio

Per verificare le prestazioni e la versatilità degli attuatori FiBa, il team di ricerca ha dimostrato con successo quattro modalità di movimento bionico senza limiti, ovvero il gattonamento ispirato alle tartarughe, l'arrampicata ispirata ai bruchi, l'appollaiarsi ispirato ai pipistrelli e il volo ispirato alle coccinelle.

Il robot strisciante ispirato alla tartaruga utilizza quattro moduli di piegatura FiBa come "pinne" per simulare gli arti anteriori della tartaruga per spingere il robot in avanti simulando il movimento della tartaruga sulla terraferma. Questi moduli sono combinati con palloncini pneumatici stampati in 3D attraverso pellicole polimeriche trasversalmente curve per ottenere movimenti di piegatura leggeri ed efficienti. Il robot è inoltre dotato di un modulo attuatore di sollevamento per regolare l'altezza della fusoliera quando necessario per adattarsi a diverse condizioni del terreno.

In termini di scenari applicativi, dopo calamità naturali come terremoti e tsunami, ci sono spesso molti stretti varchi tra le rovine, in cui è difficile entrare per i tradizionali robot rigidi. Tuttavia, questo robot strisciante può facilmente passare attraverso questi varchi, trasportare attrezzature come rilevatori di vita, cercare persone intrappolate e trasmettere la situazione in loco ai soccorritori in tempo reale tramite comunicazione wireless, migliorando notevolmente l'efficienza del salvataggio.

Il robot arrampicatore ispirato al verme pollice utilizza il modulo di piegatura FiBa e il modulo di presa per raggiungere l'arrampicata verticale simulando il movimento strisciante del verme pollice. Il modulo di presa è avvolto strettamente attorno alla superficie di arrampicata tramite un palloncino di silicone gonfiato per fornire un supporto sufficiente. Allo stesso tempo, il modulo di piegatura FiBa spinge il robot a muoversi lungo la superficie di arrampicata per raggiungere un'arrampicata stabile.

Nel campo industriale, questo robot rampicante può essere utilizzato per l'ispezione e la manutenzione di condotte verticali, ponti e pareti esterne di edifici alti. Il robot è dotato di telecamere ad alta definizione, termocamere a infrarossi e altre apparecchiature per condurre ispezioni dettagliate della superficie della struttura, rilevare tempestivamente potenziali pericoli per la sicurezza e ridurre i rischi e i costi delle ispezioni manuali. Questo robot rampicante funziona bene anche nell'ispezione di infrastrutture come linee elettriche e torri di comunicazione. Può salire rapidamente lungo pali di utilità o torri di comunicazione per ispezionare isolatori di linea, connettori del corpo della torre, ecc., migliorando l'efficienza e la precisione dell'ispezione.

Il robot appollaiato ispirato ai pipistrelli utilizza moduli FiBa per costruire una pinza leggera a quattro dita che simula il modo in cui i pipistrelli si appollaiano a testa in giù sui rami. La struttura pneumatica all'interno della pinza genera una forte forza di presa dopo il gonfiaggio, consentendo al robot di appollaiarsi stabilmente su supporti come rami e pali.

In termini di applicazione, l'installazione di questo robot appollaiato su un drone può estendere significativamente il tempo di volo del drone. Durante la missione, il drone può appollaiarsi su un supporto per risparmiare energia e decollare di nuovo quando la missione continua, riducendo così i costi energetici ed espandendo il campo di applicazione. Nelle operazioni sul campo come l'esplorazione geologica e i rilievi forestali, il robot appollaiato può essere utilizzato come piattaforma di supporto temporanea. Dopo aver completato la missione, il drone può appollaiarsi nelle vicinanze per caricare o attendere ulteriori istruzioni, migliorando l'efficienza operativa e la sicurezza.

Il robot volante ispirato alla coccinella utilizza moduli a trave di rigidità variabile FiBa come componenti strutturali principali dell'ala. Questi moduli generano sufficiente rigidità e resistenza per supportare il volo quando gonfiati e possono essere facilmente piegati e arrotolati nello stato sgonfio per un facile trasporto e stoccaggio. Il robot è inoltre dotato di un dispositivo di spinta e di un sistema di controllo per ottenere un volo autonomo e una regolazione dell'assetto. In situazioni di emergenza come calamità naturali, questo robot volante può rispondere rapidamente e consegnare con precisione le forniture urgenti come cibo e medicine nell'area del disastro. Il suo design dell'ala pieghevole consente al robot di occupare un piccolo spazio durante il trasporto, facilitando l'implementazione su larga scala; mentre la capacità di volo autonomo garantisce l'accuratezza e la tempestività della consegna del materiale. Nel campo del monitoraggio ambientale, il robot volante può trasportare una varietà di sensori e apparecchiature per condurre un monitoraggio completo e la raccolta di dati sulla qualità dell'aria, della qualità dell'acqua, ecc. La sua capacità di volo flessibile e l'ampia gamma di monitoraggio consentono al robot di coprire rapidamente grandi aree e fornire un supporto dati accurato. Inoltre, può anche essere utilizzato nel campo agricolo per il monitoraggio di parassiti e malattie e la valutazione dello stato di crescita delle colture.

▍Conclusione e futuro

L'emergere degli attuatori soft FiBa segna una svolta importante nella tecnologia della robotica soft. Grazie alla selezione di materiali leggeri e all'applicazione del design modulare, l'attuatore FiBa ha caratteristiche leggere e multifunzionali. Questo design non solo risolve il problema del peso dei tradizionali robot soft, ma ha anche una generalizzazione estremamente elevata negli scenari pratici. In futuro, i ricercatori continueranno a ottimizzare il design e le soluzioni tecniche dell'attuatore FiBa per migliorarne le prestazioni e l'affidabilità. Inoltre, con lo sviluppo della tecnologia di controllo intelligente e di navigazione autonoma, si prevede che il robot soft FiBa avrà prestazioni più intelligenti in futuro.