Soft Robotics

• Detto anche: compliant robotics, flexible robotics
• Categoria: Mechanical structure › Robot morphologies
• Tag: soft-robotics, compliant-mechanisms, elastomers, pneumatic-actuation, bio-inspired, gripper

Sottocampo della robotica che costruisce robot con materiali cedevoli e deformabili come silicone ed elastomeri, per un'interazione sicura con le persone, una manipolazione delicata e una presa adattiva.

Definizione

La soft robotics è un sottocampo della robotica che progetta, fabbrica e controlla robot realizzati principalmente con materiali cedevoli e flessibili anziché con metalli rigidi e plastiche dure. Ispirati a organismi biologici come polpi, vermi e proboscidi di elefante, i robot soft usano materiali come elastomeri siliconici, idrogel, leghe a memoria di forma e polimeri flessibili per ottenere movimenti e comportamenti difficili o impossibili con i tradizionali robot a link rigidi. Il campo mette in discussione l'assunto fondamentale della robotica classica secondo cui i robot devono essere rigidi per essere precisi e potenti.

I robot soft sono azionati da meccanismi fondamentalmente diversi dai motori elettrici convenzionali. L'attuazione pneumatica gonfia e sgonfia camere elastomeriche per produrre movimenti di flessione, torsione o estensione. I progetti a cavi fanno passare tendini attraverso strutture flessibili. Gli attuatori a elastomero dielettrico usano campi elettrici per deformare membrane polimeriche. Le leghe a memoria di forma cambiano forma quando vengono riscaldate. Ogni metodo di attuazione offre compromessi diversi in termini di forza, velocità, precisione di controllo e complessità del sistema.

La cedevolezza intrinseca dei robot soft offre diversi vantaggi rispetto ai sistemi rigidi. Sono naturalmente sicuri nell'interazione con le persone, perché assorbono l'energia degli urti invece di trasmetterla. Possono adattarsi a oggetti di forma irregolare, il che li rende pinze eccellenti per articoli delicati o diversi, dai pomodori ai componenti elettronici. Possono infilarsi in aperture strette, muoversi in ambienti ingombri e sopravvivere a collisioni che danneggerebbero i robot rigidi. Queste proprietà li rendono particolarmente preziosi in agricoltura, nella manipolazione degli alimenti, nei dispositivi medici e negli scenari di ricerca e soccorso.

Tuttavia la soft robotics affronta sfide importanti. Modellazione e controllo sono molto più complessi che per i robot rigidi, perché i corpi soft hanno in teoria infiniti gradi di libertà. I quadri cinematici e dinamici classici non si applicano direttamente. I ricercatori usano la meccanica dei continui, i metodi agli elementi finiti e, sempre più, l'apprendimento automatico per modellare il comportamento dei robot soft. Anche il rilevamento è difficile: integrare sensori in materiali deformabili senza limitarne il movimento richiede approcci nuovi come l'elettronica estensibile, i fluidi conduttivi e i sensori a fibra ottica.

Il campo è cresciuto rapidamente dai primi anni 2010, con riviste dedicate (Soft Robotics), conferenze e finanziamenti consistenti da agenzie come la DARPA e l'UE. Sono emerse applicazioni commerciali nelle pinze soft (Soft Robotics Inc., ora Stratos), nei dispositivi indossabili per la riabilitazione e negli strumenti chirurgici endoscopici. La convergenza tra soft robotics e stampa 3D ha accelerato la prototipazione, permettendo ai ricercatori di fabbricare attuatori soft complessi in poche ore anziché in settimane.

Perché è importante

La soft robotics amplia radicalmente dove e come i robot possono operare. I robot rigidi eccellono negli ambienti strutturati delle fabbriche, ma faticano con la variabilità del mondo reale: oggetti irregolari, articoli fragili, contatti imprevedibili con le persone. I robot soft colmano questa lacuna e rendono possibili applicazioni, dalla raccolta agricola alla chirurgia mininvasiva, che i robot rigidi semplicemente non possono svolgere in sicurezza.

Applicazioni principali

• Manipolazione degli alimenti e raccolta agricola: afferrare prodotti delicati senza ammaccarli
• Dispositivi medici e chirurgici: endoscopi flessibili ed esoscheletri indossabili per la riabilitazione
• Ricerca e soccorso: robot in grado di infilarsi tra le macerie e muoversi in strutture crollate
• Esplorazione subacquea: robot nuotatori bioispirati per la ricerca oceanografica
• Dispositivi di assistenza indossabili: esotute soft che potenziano il movimento umano
• Presa industriale: pinze universali che si adattano alla forma degli oggetti senza cambi utensile

In pratica

L'applicazione di soft robotics di maggior successo commerciale finora è la presa soft. Aziende come Soft Robotics Inc. (ora Stratos) e altre hanno installato pinze soft pneumatiche nelle linee di confezionamento alimentare, dove maneggiano prodotti da forno, frutta e alimenti irregolari che le pinze rigide danneggiano o non riescono ad afferrare in modo affidabile. Queste pinze usano l'aria compressa per gonfiare strutture simili a dita che si adattano attorno agli oggetti indipendentemente da forma, dimensioni e orientamento.

Nella ricerca, l'Harvard Biodesign Lab ha aperto la strada alle esotute soft: robot indossabili leggeri che assistono la camminata applicando forze attraverso tessuti flessibili anziché telai rigidi. A differenza degli esoscheletri rigidi, le esotute soft non limitano il movimento naturale delle articolazioni e si possono indossare sotto i vestiti. Gli studi clinici hanno mostrato benefici per i pazienti in riabilitazione dopo un ictus, e sono state sviluppate versioni militari per ridurre il costo metabolico durante le marce con carico.

Idee sbagliate comuni

• I robot soft sono deboli e imprecisi: le pinze soft possono sollevare diversi chilogrammi e alcuni attuatori pneumatici generano forze superiori a 100 N
• La soft robotics riguarda solo il materiale: comprende nuovi paradigmi di attuazione, rilevamento, modellazione e controllo, non solo materiali flessibili
• I robot soft sostituiranno i robot rigidi: i due sono complementari; molti sistemi pratici combinano una struttura rigida con end effector soft
• I robot soft non si possono controllare con precisione: anche se è più difficile, i controllori basati su modello e su apprendimento raggiungono una precisione notevole nei sistemi di soft robotics

Chi dovrebbe saperlo

• Ricercatori di robotica che esplorano approcci di progettazione bioispirati
• Ingegneri di produzione alla ricerca di soluzioni di presa adattabili
• Sviluppatori di dispositivi medici che lavorano su strumenti mininvasivi
• Scienziati dei materiali interessati ai materiali soft funzionali
• Studenti di robotica che esplorano sottocampi emergenti oltre la tradizionale robotica a corpi rigidi

Tecnologie correlate

• Attuazione pneumatica
• Attuatore a elastomero dielettrico
• Lega a memoria di forma
• Stampaggio del silicone
• Stampa 3D
• Meccanica dei continui
• Meccanismo a tendini

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