Progettazione integrata, fabbricazione e controllo di una mano robotica morbida multimateriale bioispirata capace di afferrare e manipolare oggetti con forme, pesi e dimensioni diverse
Le macchine che imitano gli esseri umani ispirano gli scienziati da secoli. Le morbide mani robotiche bioispirate sono un buon esempio di tale sforzo, caratterizzato da un’intrinseca conformità dei materiali e da un movimento continuo per affrontare l’incertezza e adattarsi ad ambienti non strutturati. Una recente ricerca ha portato a risultati di grande impatto nella progettazione funzionale, nella modellazione, nella fabbricazione e nel controllo dei robot morbidi. Tuttavia, la piena realizzazione di movimenti realistici è ancora difficile da raggiungere, spesso basata su considerazioni di tentativi ed errori dalla progettazione alla fabbricazione, che richiedono tempo e risorse.
Un documento di ricerca condotto da scienziati dell'University of Coimbra ha proposto una mano robotica morbida composta da nuclei di attuatori morbidi e un esoscheletro, caratterizzata da un design multimateriale aiutato dall'analisi degli elementi finiti per definire la geometria della mano e promuovere la piegabilità delle dita. Il nuovo documento di ricerca, pubblicato sulla rivista Cyborg and Bionic Systems (1), ha presentato lo sviluppo, la fabbricazione e il controllo di una mano robotica morbida bioispirata e ha dimostrato che l'analisi degli elementi finiti può fungere da prezioso strumento per supportare la progettazione e il controllo delle dita della mano.
«La ricerca recente ha portato a risultati di grande impatto nella progettazione funzionale, nella modellazione, nella fabbricazione e nel controllo dei robot morbidi. Tuttavia, la piena realizzazione di movimenti realistici è ancora difficile da raggiungere, spesso basata su considerazioni di tentativi ed errori dalla progettazione alla fabbricazione, che richiedono tempo e risorse. Utilizzare l’analisi degli elementi finiti per supportare il processo di progettazione, risparmiando tempo e risorse», ha spiegato l’autore dello studio Pedro Neto (2), professore all’University of Coimbra. L'analisi degli elementi finiti comprende (a) comportamento iperelastico dei materiali morbidi, (b) rotazione finita e grande deformazione dell'esoscheletro e degli attuatori e (c) contatto di attrito tra esoscheletro e attuatori. «Questa soluzione integrata renderà le mani robotiche più disponibili per le persone, a costi ridotti, evitando i lunghi processi di tentativi ed errori di progettazione-fabbricazione», hanno affermato gli autori.
I robot morbidi possono essere fabbricati utilizzando più materiali e utilizzando diversi processi di produzione, che vanno dallo stampaggio in silicone alla stampa 3D. I metodi di stampa 3D apportano vantaggi significativi nella progettazione e nella fabbricazione, facilitando l’introduzione di geometrie complesse all’interno dei robot morbidi, accelerando/automatizzando il processo di fabbricazione e riducendone i costi. «La stampa 3D consente l’introduzione di elementi di rilevamento e controllo all’interno del robot, promuovendo l’innovazione in molteplici ambiti applicativi», ha affermato il dottor Samuel Alves.
Gli autori dello studio hanno dimostrato che gli attuatori morbidi multimateriale sono progettati e fabbricati con costi e tempi ridotti, utilizzando processi di fabbricazione standard come lo stampaggio e la stampa 3D in un unico passaggio. Il controllo ON–OFF, pur essendo semplice, mantiene stabili gli angoli di piegatura delle dita impostati, anche in presenza di perdite. La mano robotica ha dimostrato destrezza e capacità di afferrare oggetti con forme, pesi e dimensioni diverse.
«Il rinforzo in direzione circonferenziale garantisce l'allungamento dell'attuatore e di conseguenza la flessione delle dita all'interno dell'esoscheletro. La mano robotica ha raggiunto un livello di destrezza interessante, essendo in grado di afferrare oggetti di diverse forme e dimensioni. Tuttavia fa fatica ad afferrare oggetti più pesanti e con superfici scivolose, mostrando una deformazione concentrata alla base delle dita mentre il movimento del pollice è vincolato. Inoltre, a seconda della superficie di presa e della geometria, esiste un'interferenza meccanica tra le dita. Poiché la mano morbida è altamente non lineare, con la maggior parte delle variabili di interesse accoppiate tra loro, il lavoro futuro sarà dedicato a un’analisi approfondita dei fenomeni di presa insieme a un’ulteriore standardizzazione dei parametri di test», conclude il dottor Samuel Alves.
Gli autori della ricerca sono: Samuel Alves, Mihail Babcinschi, Afonso Silva, Diogo Neto, Diogo Fonseca, Pedro Neto. Fondi nazionali portoghesi attraverso FCT—Fundação para a Ciência e a Tecnologia (grant numbers UIDB/00285/2020, LA/P/0112/2020, and 2022.13512.BD).
Riferimenti:
(1) Integrated Design Fabrication and Control of a Bioinspired Multimaterial Soft Robotic Hand
(2) Pedro Neto
Descrizione foto: (A) Attuatore morbido del dito multimateriale composto da 2 strati di silicone e rinforzo interno in PET. (B) Geometria dell'esoscheletro di un singolo dito progettato per piegarsi in 3 articolazioni (distale, media e prossimale). (C) Principio di funzionamento in cui l'attuatore pneumatico all'interno di un guscio esoscheletrico più rigido favorisce la flessione del dito. (D) Collegata a un robot manipolatore, la morbida mano robotica è in grado di afferrare e manipolare oggetti di varie forme, pesi e dimensioni. - Credit: Samuel Alves, University of Coimbra, CEMMPRE, ARISE, Department of Mechanical Engineering.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Integrated design fabrication and control of a bioinspired multimaterial soft robotic hand