La rappresentazione di un artista di un collettivo simile al materiale di robot che forma un dispositivo rigido.
Creati robot che si spostano trasformando la loro forma e che fluiscono come liquidi per poi indurirsi come l'acciaio
Progettato un materiale robotico che si trasforma come un organismo vivente.
Ispirati dagli embrioni, questi robot a forma di disco usano magneti, motori e luce per spostarsi tra stati rigidi e fluidi. Il risultato? Un sistema di auto-guarigione e shifting che potrebbe cambiare il modo in cui costruiamo e interagiamo con i materiali.
Robot che si comportano come materiali
«Abbiamo trovato un modo per i robot di comportarsi più come un materiale», ha affermato il dottor Matthew Devlin (1), un ex ricercatore di dottorato nel laboratorio del professore Elliot Hawkes (2) di ingegneria meccanica dell'University of California, Santa Barbara (UCSB), e l'autore principale di uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Science (3). Composti da singoli robot autonomi a forma di disco che sembrano piccoli dischi di hockey, i membri del collettivo sono programmati per riunirsi insieme in varie forme con diversi punti di forza del materiale.
Una delle maggiori sfide che la squadra ha affrontato è stata la creazione di un materiale robotico che potrebbe essere sia rigido che forte mentre è in grado di fluire anche in nuove configurazioni. «I materiali robotici dovrebbero essere in grado di prendere una forma e mantenerla» ha spiegato Hawkes, «ma anche in grado di fluire selettivamente in una nuova forma». In passato, i robot strettamente collegati in un collettivo non potevano facilmente riorganizzare se stessi. Ora, è cambiato.
Prendendo ispirazione dagli embrioni
Per l'ispirazione, i ricercatori hanno cercato come si formano gli embrioni consultando un articolo di Nature (4), attingendo al lavoro del dottor Otger Campàs (5), ex professore UCSB e ora direttore della Dresda University of Technology. «I tessuti embrionali viventi sono gli ultimi materiali intelligenti», ha detto Campàs. «Hanno la capacità di self-shape, self-heal e persino controllare la loro forza materiale nello spazio e nel tempo». Il suo laboratorio aveva precedentemente scoperto che gli embrioni possono temporaneamente ammorbidirsi - quasi come il vetro di scioglimento - per scolpire le loro forme finali. «Per scolpire un embrione, le cellule nei tessuti possono passare tra fluidi e stati solidi; un fenomeno noto come transizioni di rigidità in fisica», ha aggiunto.
Magneti e motori: la chiave per il cambio di forma
Nel mondo dei robot, l'equivalente dell'adesione delle cellule si ottiene con magneti, che sono incorporati nel perimetro delle unità robotiche. Questi consentono ai robot di trattenerti l'uno sull'altro e l'intero gruppo si comporta come materiale rigido. Ulteriori forze tra le cellule sono codificate in forze tangenziali tra unità robotiche, abilitate da otto ingranaggi motorizzati lungo l'esterno circolare di ciascun robot. Modulando queste forze tra i robot, il team di ricerca è stato in grado di consentire le riconfigurazioni in collettivi altrimenti completamente bloccati e rigidi, permettendo loro di rimodellare. L'introduzione di forze inter-unità dinamiche ha superato la sfida di trasformare rigidi collettivi robotici in materiali robotici malleabili, rispecchiando i tessuti embrionali viventi.
La segnalazione biochimica, nel frattempo, è simile a un sistema di coordinate globali. «Ogni cella “conosce” la sua testa e la sua coda, quindi sa da che parte spremere e applicare forze», ha spiegato Hawkes. In questo modo, il collettivo delle cellule riesce a cambiare la forma del tessuto, come quando si allineano l'uno accanto all'altro e allunga il corpo. Nei robot, questa impresa è realizzata da sensori di luce sulla parte superiore di ogni robot, con filtri polarizzati. Quando la luce è brillante su questi sensori, la polarizzazione della luce dice loro in quale direzione girare le loro marce e quindi come cambiare forma. «Puoi semplicemente dire a tutti loro in una volta sotto un campo leggero costante in quale direzione vuoi che vadano, e possono tutti allinearsi e fare tutto ciò che devono fare», ha aggiunto Devlin.
Un materiale intelligente che si adatta e guarisce
Con tutto ciò in mente, i ricercatori sono riusciti a sintonizzare e controllare il gruppo di robot per agire come un materiale intelligente: le sezioni del gruppo hanno attivato le forze dinamiche tra robot fluidizzando il collettivo, mentre in altre sezioni i robot si mantengono semplicemente l'uno all'altro creando un materiale rigido. La modulazione di questi comportamenti in tutto il gruppo di robot nel tempo ha permesso ai ricercatori di creare materiali robotici che supportano carichi pesanti ma che possono anche rimodellare, manipolare gli oggetti.
Attualmente, il gruppo robotico a prova di concetto comprende una piccola serie di unità relativamente grandi (20). Tuttavia, le simulazioni condotte dall'ex collega post dottorato Sangwoo Kim (6) nel laboratorio Campàs, e ora assistente professore all'école polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), indicano che il sistema può essere ridimensionato a un numero maggiore di unità miniaturizzate. Ciò potrebbe consentire lo sviluppo di materiali robotici che comprendono migliaia di unità, che possono assumere una miriade di forme e mettere a punto le loro caratteristiche fisiche a volontà, cambiando il concetto di oggetti che abbiamo oggi.
Dalla fantascienza alla realtà
Oltre alle applicazioni al di là della robotica, come lo studio della materia attiva nella fisica o nel comportamento collettivo in biologia, la combinazione di questi ensemble robotici con strategie di apprendimento automatico per controllarli potrebbe produrre notevoli capacità nei materiali robotici, portando alla realtà un sogno di fantascienza.
Questo studio è stato supportato dal National Science Foundation (NSF; grant 1925373) negli Stati Uniti d'America, e il Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany’s Excellence Strategy–EXC 2068–390729961 – Cluster of Excellence Physics of Life of TU Dresden.
Riferimenti:
(1) Matthew Devlin
(2) Elliot Hawkes
(3) Material-like robotic collectives with spatiotemporal control of strength and shape
(4) A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation
(5) Otger Campas
(6) Sangwoo Kim
Descrizione foto: La rappresentazione di un artista di un collettivo simile al materiale di robot che forma un dispositivo rigido. - Credit: Brian Long, University of California Santa Barbara.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: cientists Just Created Shape-Shifting Robots That Flow Like Liquid and Harden Like Steel