Roma – (Questo articolo è sotto embargo ore 19.00) – I biologi e gli ingegneri dell’Università della California, Berkeley, sulla base di studi sulla biomeccanica dei salti e degli atterraggi degli scoiattoli, hanno progettato un robot saltellante in grado di atterrare su un trespolo stretto. Fino ad oggi sono stati realizzati robot che strisciano, nuotano, volano e persino strisciano come serpenti, ma nessun robot può reggere il confronto con uno scoiattolo, che può fare parkour in un fitto di rami, saltare attraverso buchi pericolosi ed eseguire atterraggi precisi sui rami più fragili. L’impresa, che è stata pubblicata sulla rivista Science Robotics, rappresenta un grande passo avanti nella progettazione di robot più agili, in grado di saltare tra le capriate e le travi degli edifici in costruzione o di monitorare l’ambiente nelle foreste intricate o tra le chiome degli alberi.
“I robot che abbiamo ora sono OK, ma come si fa a passare al livello successivo? Come si fa a far sì che i robot si muovano in un ambiente difficile in un disastro in cui ci sono tubi, travi e fili? Gli scoiattoli potrebbero farlo, senza problemi. I robot non possono farlo”, ha affermato Robert Full, uno degli autori principali dell’articolo e professore di biologia integrativa presso l’UC Berkeley.
“Gli scoiattoli sono i migliori atleti della natura”, ha aggiunto Full. “Il modo in cui riescono a manovrare e scappare è incredibile. L’idea è di provare a definire le strategie di controllo che danno agli animali un’ampia gamma di opzioni comportamentali per compiere imprese straordinarie e usare queste informazioni per costruire robot più agili”.
Justin Yim, ex studente laureato presso la UC Berkeley e co-primo autore del paper, ha tradotto ciò che Full e i suoi studenti di biologia hanno scoperto negli scoiattoli in Salto, un robot con una gamba sviluppato presso la UC Berkeley nel 2016 che poteva già saltare, fare parkour e atterrare, ma solo su un terreno pianeggiante. La sfida era atterrare colpendo un punto specifico, un’asta stretta.
“Se pensi di provare a saltare in un punto, magari stai giocando a campana e vuoi atterrare con i piedi in un punto specifico, vuoi atterrare in quel punto e non fare un passo”, ha spiegato Yim, ora professore associato di scienze meccaniche e ingegneria presso l’Università dell’Illinois, Urbana Champaign (UIUC). “Se senti che stai per cadere in avanti, allora potresti ruotare le braccia, ma probabilmente ti alzerai anche dritto per evitare di cadere. Se senti che stai cadendo all’indietro e potresti doverti sedere perché non ce la fai, potresti ruotare le braccia all’indietro, ma probabilmente ti accovaccerai mentre lo fai. È lo stesso comportamento che abbiamo programmato nel robot. Se sta per oscillare sotto, dovrebbe accovacciarsi. Se sta per oscillare, dovrebbe estendersi e stare dritto”.
Utilizzando queste strategie, Yim sta intraprendendo un progetto finanziato dalla NASA per progettare un piccolo robot con una gamba sola che potrebbe esplorare Encelado, una luna di Saturno, dove la gravità è un ottantesimo di quella terrestre e dove con un solo salto il robot potrebbe percorrere la lunghezza di un campo da football.
Il nuovo design del robot si basa su un’analisi biomeccanica degli atterraggi degli scoiattoli, descritta in dettaglio in un articolo accettato per la pubblicazione sul Journal of Experimental Biology e pubblicato online il 27 febbraio. Full è l’autore senior e l’ex studente laureato Sebastian Lee è il primo autore di quell’articolo.
Salto, abbreviazione di Saltatorial Agile Locomotion on Terrain Obstacles, è nato un decennio fa nel laboratorio di Ronald Fearing, ora professore alla Graduate School del Department of Electrical Engineering and Computer Sciences (EECS) dell’UC Berkeley. Gran parte della sua capacità di saltellare, fare parkour e atterrare è il risultato di una collaborazione interdisciplinare di lunga data tra studenti di biologia del Polypedal Lab di Full e studenti di ingegneria del Biomimetic Millisystems Lab di Fearing .
Durante i cinque anni in cui Yim è stato uno studente laureato alla UC Berkeley (ha conseguito il dottorato in EECS nel 2020, con Fearing come suo supervisore), ha incontrato il gruppo di Full ogni due settimane per imparare dai loro esperimenti di biologia. Yim stava cercando di sfruttare la capacità di Salto di atterrare in posizione verticale su un punto piatto, anche all’aperto, per farlo colpire un bersaglio specifico, come un ramo. Salto aveva già un volano motorizzato, o ruota di reazione, per aiutarlo a bilanciarsi, proprio come gli umani ruotano le braccia per ripristinare l’equilibrio. Ma questo non era sufficiente per un atterraggio diretto su un trespolo precario. Ha deciso di provare a invertire i motori che lanciano Salto e usarli per frenare durante l’atterraggio.
Sospettando che gli scoiattoli facessero lo stesso con le zampe quando atterravano, i team di biologia e robotica hanno lavorato in parallelo per confermare ciò e dimostrare che avrebbe aiutato Salto a mantenere un atterraggio sicuro. Il team di Full ha dotato un ramo di sensori che misuravano la forza perpendicolare al ramo quando uno scoiattolo atterrava e la coppia o forza di rotazione rispetto al ramo che lo scoiattolo applicava con le zampe.
Il team di ricerca ha scoperto, sulla base di video ad alta velocità e misurazioni dei sensori, che quando gli scoiattoli atterrano dopo un salto eroico, fondamentalmente fanno una verticale sul ramo, dirigendo la forza di atterraggio attraverso l’articolazione della spalla in modo da sollecitare l’articolazione il meno possibile. Utilizzando cuscinetti sulle zampe, afferrano quindi il ramo e si torcono per superare qualsiasi coppia in eccesso che minaccia di farli cadere sopra o sotto il ramo.
“Quasi tutta l’energia, l’86% dell’energia cinetica, è stata assorbita dalle zampe anteriori”, ha detto. “Stanno davvero facendo delle verticali in avanti sul ramo, e poi il resto segue. Quindi i loro piedi generano una coppia di trazione, se stanno andando sotto; se stanno per andare sopra la cima, stanno potenzialmente esagerando, generano una coppia frenante”.
Ma forse ancora più importante per quanto riguarda l’equilibrio è stato scoprire che gli scoiattoli regolano anche la forza frenante applicata al ramo durante l’atterraggio, per compensare un eventuale eccesso o difetto.
“Se stai per andare sotto tiro, quello che puoi fare è generare meno forza di rottura della gamba; la tua gamba collasserà un po’, e poi la tua inerzia sarà minore, e questo ti farà tornare su per correggere”, ha detto Full. “Mentre se stai andando troppo oltre, vuoi fare l’opposto: vuoi che le tue gambe generino più forza di rottura in modo da avere una maggiore inerzia e rallentarti in modo da avere un atterraggio bilanciato”.
Yim e lo studente universitario Eric Wang della UC Berkeley hanno riprogettato Salto per incorporare forze regolabili delle gambe, integrando la coppia della ruota di reazione. Con queste modifiche, Salto è stato in grado di saltare su un ramo e di stare in equilibrio un paio di volte, nonostante il fatto che non avesse la capacità di afferrare con i piedi, ha detto Yim.
“Abbiamo deciso di prendere la strada più difficile e di non dare al robot la capacità di applicare alcuna coppia sul ramo con i suoi piedi. Abbiamo progettato specificamente una pinza passiva che aveva persino un attrito molto basso per ridurre al minimo quella coppia”, ha detto Yim. “In lavori futuri, penso che sarebbe interessante esplorare altre pinze più capaci che potrebbero espandere drasticamente la capacità del robot di controllare la coppia che applica al ramo e ampliare la sua capacità di atterrare. Forse non solo sui rami, ma anche su terreni pianeggianti complessi”.
Parallelamente, Full sta ora studiando l’importanza della coppia applicata dal piede dello scoiattolo all’atterraggio. A differenza delle scimmie, gli scoiattoli non hanno un pollice utilizzabile che consenta una presa prensile, quindi devono afferrare un ramo con la mano, ha detto. Ma questo potrebbe essere un vantaggio.
“Se sei uno scoiattolo inseguito da un predatore, come un falco o un altro scoiattolo, vuoi avere una presa sufficientemente stabile, con cui puoi fare parkour da un ramo velocemente, ma non una presa troppo salda”, ha detto. “Non devono preoccuparsi di lasciar andare, rimbalzano e basta”.
I robot con una gamba sola possono sembrare poco pratici, dato il rischio di cadere quando si è fermi. Ma Yim afferma che per saltare molto in alto, una gamba sola è la soluzione migliore.
“Una gamba è il numero migliore per saltare; puoi mettere la massima potenza in quella gamba se non distribuisci quella potenza tra più dispositivi diversi. E gli svantaggi che hai nell’avere una sola gamba diminuiscono man mano che salti più in alto”, ha detto Yim. “Quando salti molte, molte volte l’altezza delle tue gambe, c’è solo un’andatura, ed è l’andatura in cui ogni gamba tocca il terreno nello stesso momento e ogni gamba lascia il terreno approssimativamente nello stesso momento. Quindi a quel punto, avere più gambe è un po’ come avere una gamba. Potresti anche usarne una sola”.(30Science.com)
