Il robot-origami che si autoassembla e cammina da solo


Un team di ingegneri del MIT e dell’Università di Harvard ha costruito il primo robot che si autoassembla in soli 4 minuti e comincia a muoversi senza alcun intervento umano. Tutto questo utilizzando dei semplici materiali, carta e fogli di plastica, gli Shrinky dinks™ (un giocattolo per bambini costituito appunto da fogli in materiale plastico che prendono forma restringendosi se scaldati in forno).

Il robot costruito dai ricercatori del MIT e dell’Università di Harvard è in grado di assemblarsi e muoversi in completa autonomia. Credits: Harvard's Wyss InstituteImmagine: Il robot costruito dai ricercatori del MIT e dell’Università di Harvard è in grado di assemblarsi e muoversi in completa autonomia. Credits: Harvard's Wyss Institute.

I risultati della ricerca, descritta sulla rivista Science, dimostrano che è possibile implementare in modo rapido ed economico macchine sofisticate che interagiscono con l'ambiente e sono in grado di autoassemblarsi. Il metodo trae ispirazione dalla natura, ad esempio dall’autoassemblaggio delle sequenze lineari di aminoacidi che diventano proteine complesse dalle funzioni sofisticate.

«La realizzazione di un robot che si assembla autonomamente senza alcun intervento esterno ed è in grado di eseguire una funzione costituisce una pietra miliare che cercavamo di raggiungere da molti anni» ha dichiarato Rob Wood, uno degli autori dello studio e membro di spicco del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering all'Università di Harvard nonché professore di Ingegneria e Scienze Applicate presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate di Harvard (SEAS). Il team include ingegneri e informatici provenienti dall'Istituto Wyss, dalla SEAS e dall'Istituto tecnologico del Massachusetts (MIT).

Video: Rob Wood e Sam Felton descrivono il fondamentale traguardo raggiunto e i possibili sviluppi futuri. Credits: Wyss Institute.

Allargando le prospettive, grazie a questo avanzamento tecnologico si potrebbero realizzare dei robot destinati oltre che agli usi generali, anche a nuove applicazioni.

«Immaginiamo dozzine di satelliti robot inviati nello spazio che potrebbero autoassemblarsi a distanza e scattare fotografie, raccogliere dati e molto altro» ha dichiarato Sam Felton, autore principale dello studio e ricercatore alla SEAS.

I robot rappresentano il culmine di una serie di studi realizzati dal team negli ultimi anni, tra cui lo sviluppo di un bruco robotico ottenuto con una stampante che per ripiegarsi su sé stesso richiede ancora l’intervento dell’uomo, e una lampada che si autoassembla ma che ha bisogno di essere accesa da una persona.

Il nuovo robot-origami è il primo nel suo genere in grado di autoassemblarsi e svolgere una funzione senza l'intervento dell'uomo.

«Abbiamo realizzato un sistema elettromeccanico completo integrato in un unico foglio» spiega Felton. Il team ha utilizzato strumenti di progettazione al computer per imprimere una forma ottimale al modello pieghevole e dopo circa 40 tentativi Felton si è focalizzato su un prototipo che era in grado piegarsi e muoversi in maniera autonoma. Il ricercatore ha realizzato il foglio utilizzando una stampante a inchiostro solido, una macchina laser e le sue mani.

La costruzione del modello finito ha richiesto solo due ore e l’uso di un metodo basato sull'origami, l'antica arte giapponese per mezzo della quale è possibile realizzare strutture complesse da un singolo foglio di carta. L'approccio ispirato all'origami ha permesso al team di evitare l’uso tradizionale di "viti e bulloni" per assemblare macchine complesse.

Siamo partiti da un foglio piatto a cui sono stati aggiunti due motori, due batterie e un microcomputer che agisce da "cervello" del robot, spiega Felton.

Il foglio è costituito da materiale composito, carta e polistirene (Shrinky dinks™), con al centro un circuito stampato flessibile. Comprende anche delle cerniere che sono state programmate per piegarsi ad angoli specifici. Ogni cerniera contiene circuiti incorporati che producono calore su comando del microcomputer. Il calore attiva il composito che si piega da solo in una serie di passaggi.

Quando le cerniere si raffreddano dopo circa quattro minuti, il polistirene si indurisce e il robot prende forma, mentre il microcomputer gli invia il segnale di muoversi alla velocità di circa 160 metri all'ora. L'intero processo utilizza la quantità di energia di una batteria stilo alcalina.

Il robot funziona con un timer, inizia infatti a piegarsi dopo circa 10 secondi dall'inserimento delle batterie. Tuttavia, «è possibile modificare facilmente questo sistema utilizzando un sensore ambientale basato su fattori come la temperatura o la pressione» sostiene Felton.

Una delle sfide principali del processo, prosegue Felton, è stata la tendenza dei robot a bruciarsi prima di ripiegarsi correttamente su sé stessi; ogni robot funziona con una corrente pari a 10 volte quella che scorre attraverso il filamento di una lampadina.

«Siamo in grado di migliorare ulteriormente partendo da questo passaggio significativo» ha dichiarato Felton, che sta pianificando dei nuovi esperimenti con vari tipi di polimeri a memoria di forma che, ad esempio, sono più robusti e richiedono meno calore per essere attivati.

Il metodo è complementare alla stampa 3D che rappresenta una grande promessa dal punto di vista della rapidità e dell'economicità della produzione dei componenti robotici. Infatti, in questo caso specifico, la produzione di un prototipo funzionante potrebbe richiedere molto tempo.

Il sogno a lungo termine per questo progetto, commenta Wood, sarebbe quello di avere a disposizione una struttura all’interno della comunità che sia in grado di fornire assistenza robotica e sia accessibile a chiunque e in qualsiasi momento. Ad esempio, per pulire il portico del condominio o rilevare le fughe di gas nel vicinato, «basterebbe entrare, spiegare di cosa si ha bisogno e tornare a prendere, un’ora dopo, l'assistente robotico» spiega Wood. Il prezzo sarebbe abbastanza accessibile. Ogni robot costa infatti circa 100 dollari, mentre il corpo senza i motori, le batterie e il microcomputer costa solo 20 dollari.

«Questo traguardo raggiunto da Rob e il suo team rivoluziona il concetto di produzione in quanto la macchina produce sé stessa» ha dichiarato Don Ingber, direttore dell'Istituto Wyss. «I tempi dei grandi robot, rigidi e fissi in un posto che ripetono ogni giorno gli stessi compiti sono ormai in declino».



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