Dalle Spire allo Strisciamento: Ecco il Robot Morbido Ispirato ai Serpenti che Afferra e si Muove Ovunque!
Ciao a tutti! Sono qui per raccontarvi qualcosa di davvero affascinante che sta succedendo nel mondo della robotica. Avete presente i serpenti? Creature incredibili, capaci di muoversi in modi che sembrano sfidare la fisica: strisciano, si arrampicano, si avvolgono attorno alle prede con una forza e una flessibilità pazzesche. Beh, da sempre noi ricercatori guardiamo alla natura per trovare ispirazione, e i serpenti sono una musa eccezionale. Ma replicare quelle abilità in un robot, specialmente in un robot morbido, è una sfida enorme. Eppure… e se vi dicessi che ci siamo riusciti?
L’ispirazione: la versatilità dei serpenti
Prima di tuffarci nel nostro robot, fermiamoci un attimo a pensare ai serpenti. Non hanno zampe, eppure sono maestri del movimento. Possono:
- Stritolare la preda: avvolgendosi a spirale e stringendo fino a immobilizzarla.
- Muoversi lateralmente (sidewinding): una danza quasi ipnotica perfetta per terreni scivolosi come la sabbia.
- Avanzare a fisarmonica (accordion locomotion): contraendosi ed estendendosi per passare in spazi strettissimi.
- Arrampicarsi avvolgendosi (winding climbing): salendo su rami o pali alternando prese a spirale.
Ognuna di queste strategie è un capolavoro di adattamento evolutivo. E sono proprio queste capacità multimodali che volevamo catturare.
Nasce ICSBot: un robot morbido con una marcia in più
Abbiamo creato un nuovo tipo di robot morbido, che abbiamo chiamato ICSBot (Initial Coiling Structure soft robot). La sua particolarità? Nasce già con una forma a spirale, proprio come un serpente pronto all’azione! Ma come abbiamo fatto?
Abbiamo usato una tecnologia chiamata Direct Ink Writing (DIW), che è un po’ come una stampa 3D super precisa. Abbiamo sviluppato un “inchiostro” speciale mescolando MXene (un materiale fantastico con proprietà uniche, di cui parleremo tra poco) e nanofibre di cellulosa (CNF) per dargli la giusta consistenza e robustezza. Questo inchiostro lo abbiamo stampato su un film di polietilene (PE) particolare, che era stato pre-stirato e riscaldato.
Il trucco sta qui: quando il film di PE si raffredda, si restringe in modo diverso a seconda della direzione (si chiama anisotropia). L’inchiostro MXene-CNF, invece, reagisce in modo opposto. Questa “lotta” tra i due strati fa sì che il film si avvolga spontaneamente a spirale! E la cosa bella è che, giocando con parametri come l’angolo di stampa e la temperatura iniziale della piattaforma, possiamo controllare con precisione la forma della spirale (passo e diametro). Abbiamo usato calcoli teorici e simulazioni al computer (analisi agli elementi finiti – FEA) per prevedere esattamente come si sarebbe formato l’ICSBot, e i risultati sperimentali hanno confermato le nostre previsioni. È stato come dare al robot la sua forma “base” programmata fin dalla nascita.
Il segreto del movimento: luce, umidità e calore
Ok, abbiamo un robot a spirale. Ma come si muove? Qui entra in gioco la magia del materiale MXene. Questo materiale è eccezionale nel convertire la luce, specialmente quella nel vicino infrarosso (NIR), in calore. Inoltre, ha una grande capacità di assorbire e rilasciare molecole d’acqua.
Quindi, cosa succede quando illuminiamo l’ICSBot con luce NIR?
- Lo strato di MXene-CNF si scalda rapidamente.
- Il calore fa sì che le molecole d’acqua intrappolate nello strato vengano rilasciate, facendolo restringere.
- Contemporaneamente, lo strato di PE si espande a causa del calore (ricordate l’anisotropia? Si espande di più in una direzione).
- Questo “tiro alla fune” tra i due strati fa sì che la spirale si “srotoli”, si apra.
Quando spegniamo la luce, il processo si inverte: il robot si raffredda, l’MXene-CNF riassorbe umidità dall’aria, il PE si restringe, e l’ICSBot torna alla sua forma a spirale originale. È un movimento completamente reversibile e controllabile semplicemente accendendo e spegnendo una luce!
Ma non è tutto! L’ICSBot reagisce anche ai cambiamenti di umidità (più umido è, più si stringe la spirale perché l’MXene assorbe acqua) e di temperatura ambientale (più caldo è, più si srotola per l’espansione del PE). Questa sensibilità a diversi stimoli lo rende incredibilmente versatile.
In azione: la presa del serpente
Ispirandoci a come i serpenti afferrano le prede, abbiamo trasformato l’ICSBot in un gripper, una pinza robotica. Immaginate di dover afferrare un oggetto piccolo o di forma strana in uno spazio angusto. Le pinze tradizionali, spesso rigide e con pochi punti di contatto, farebbero fatica.
L’ICSBot, invece, fa così:
- Si avvicina all’oggetto nella sua forma a spirale.
- Lo illuminiamo con luce NIR: la spirale si apre quel tanto che basta per circondare l’oggetto.
- Spegniamo la luce: l’ICSBot torna a chiudersi a spirale, avvolgendo l’oggetto saldamente.
Il vantaggio? Il contatto avviene su un’area molto più ampia, creando un attrito maggiore e una presa più sicura, perfetta per oggetti cilindrici, sferici, irregolari… Abbiamo testato con successo la presa su oggetti di varie forme e dimensioni, anche all’interno di tubi stretti! E una volta afferrato, l’oggetto resta bloccato anche senza luce, risparmiando energia. Per rilasciarlo, basta illuminare di nuovo il robot.
Muoversi come un serpente: locomozione multimodale
Ma la vera forza dell’ICSBot è la sua capacità di imitare le diverse andature dei serpenti.
1. Strisciamento laterale (Sidewinding): Immaginate di “scansionare” l’ICSBot con un raggio di luce NIR lungo la sua spirale. La parte illuminata si srotola e tocca terra, spostando il centro di gravità e generando una coppia che fa avanzare il robot lateralmente. Muovendo la luce lungo la spirale, il robot avanza con quel tipico movimento ondulato. Possiamo controllare direzione e distanza semplicemente cambiando la direzione della scansione luminosa e l’angolo di stampa originale del robot! Abbiamo visto l’ICSBot strisciare così anche trasportando un carico pari a tre volte il suo peso, su terreni accidentati come sabbia ondulata o piccoli gradini, e persino in ambienti “rumorosi” (con altre fonti luminose).
2. Avanzamento a fisarmonica (Accordion Crawling): Questa è perfetta per gli spazi stretti, come l’interno di un tubo. Ecco come funziona:
- Illuminiamo la parte posteriore: si srotola e si ancora alle pareti del tubo.
- Muoviamo la luce in avanti: la parte centrale si srotola e si allunga, spingendo il robot in avanti.
- Illuminiamo la parte anteriore: si srotola e si ancora.
- La parte posteriore, non più illuminata, recupera la forma a spirale, perde attrito e viene “tirata” in avanti.
Ripetendo questo ciclo, l’ICSBot avanza a piccoli passi dentro il tubo. Lo abbiamo visto muoversi in tubi dritti, inclinati, a forma di S e di U, e persino spingere una pallina al suo interno!
3. Arrampicata avvolgente (Winding Climbing): E se il tubo fosse all’esterno? L’ICSBot può arrampicarsi anche lì! Il principio è simile all’accordion crawling, ma applicato all’esterno: illuminiamo selettivamente parti del robot per farlo “srotolare” e allungare in avanti, mentre la parte a spirale non illuminata mantiene la presa sul tubo. Poi, la parte posteriore si srotola per ridurre l’attrito e viene tirata su. Ciclo dopo ciclo, l’ICSBot sale! Lo abbiamo visto arrampicarsi su tubi verticali, anche se questi tremavano leggermente.
Cosa significa tutto questo?
Credo che l’ICSBot rappresenti un passo avanti davvero emozionante. Siamo riusciti a creare un robot morbido con una struttura iniziale a spirale controllabile e capace di muoversi in modi diversi (afferrare, strisciare lateralmente, avanzare a fisarmonica, arrampicarsi) usando solo stimoli esterni come la luce NIR, senza bisogno di cavi o complessi sistemi pneumatici.
Questo lavoro dimostra il potenziale enorme che nasce combinando design intelligenti ispirati alla natura, materiali avanzati come l’MXene, tecniche di fabbricazione precise come la DIW e modelli predittivi come l’FEA. Rispetto ad altri robot simili, il nostro ICSBot mostra una flessibilità, una capacità di risposta a stimoli diversi e una varietà di modalità di locomozione davvero notevoli.
Le applicazioni future? Sono tantissime! Immaginate questi piccoli robot capaci di ispezionare tubature strette, recuperare oggetti in luoghi inaccessibili, operare in ambienti pericolosi o persino in campo medico. Stiamo aprendo nuove strade per la progettazione di sistemi robotici morbidi sempre più intelligenti, versatili e multifunzionali. Il futuro della robotica, ispirato dalla natura, è più vicino che mai!
Fonte: Springer
