Un team di ricerca guidato dagli esperti di materiali intelligenti, il professor Stefan Seelecke e il professore associato Gianluca Rizzello, dell'Università della Saarland, sta esplorando gli aspetti fondamentali di questo entusiasmante campo della robotica morbida.

Nella fabbrica del futuro, esseri umani e macchine lavoreranno fianco a fianco, in armonia, come una squadra, unendo le forze quando necessario, come se il robot collaborativo fosse fatto di carne e ossa. Sebbene i robot collaborativi ("cobot") siano già impiegati nelle linee di produzione industriali, il vero lavoro di squadra "mano a mano" tra robot e operatori umani è ancora lontano. Il problema risiede nella vicinanza fisica dei collaboratori umani, le cui azioni, a differenza di quelle di un robot, non seguono algoritmi prevedibili. Un lavoratore umano può stancarsi o distrarsi e agire improvvisamente o addirittura in modo illogico. Ciò ha evidenti implicazioni per la sicurezza e spiega perché i bracci robotici attualmente utilizzati nelle linee di produzione siano solitamente alloggiati in gabbie. Chiunque si avvicini troppo può trovarsi in una situazione pericolosa. I robot industriali sono in genere macchine grandi e pesanti. Ma sono anche potenti, veloci e agili e vengono utilizzati per un'ampia gamma di operazioni, come saldatura, assemblaggio, verniciatura, impilamento e sollevamento. Tuttavia, i loro movimenti sono interamente dettati dai programmi che li controllano. E se qualcuno si mette sulla loro strada o si avvicina troppo, le conseguenze possono essere gravi.

Il team guidato dal professor Stefan Seelecke e dal professore associato Gianluca Rizzello dell'Università della Saarland e del Centro per la Meccatronica e l'Automazione (ZeMA) di Saarbrücken sta lavorando su nuovi tipi di bracci robotici intelligenti. "La nostra tecnologia si basa su sistemi di polimeri intelligenti e ci permette di creare nuovi strumenti robotici morbidi, più leggeri, più manovrabili e più flessibili rispetto ai componenti rigidi attualmente in uso", spiega Stefan Seelecke. Una spinta accidentale da parte di uno di questi bracci robotici del futuro sarebbe più simile a una spinta da parte di un collega umano (e meno probabile che vi mandi in ospedale).

Il materiale utilizzato per questi nuovi bracci robotici morbidi è un tipo speciale di polimero noto come "elastomero dielettrico". I ricercatori di Saarbrücken utilizzano questo materiale composito per creare muscoli e nervi artificiali. Le proprietà speciali degli elastomeri dielettrici consentono lo sviluppo di sistemi ispirati agli ingegnosi design della natura. Questi elastomeri possono essere compressi, ma poi allungati fino a tornare alla loro forma originale. “Stampiamo degli elettrodi su entrambi i lati del materiale elastomerico. Quando applichiamo una tensione, i due elettrodi si attraggono, comprimendo il polimero e causandone l'espansione laterale”, spiega il Dott. Gianluca Rizzello, professore associato di sistemi adattivi basati sui polimeri. Il ricercatore italiano lavora nel team di Seelecke dal 2016. In questo modo, l'elastomero può contrarsi e rilassarsi, come il tessuto muscolare. “Sfruttiamo questa proprietà per progettare i nostri attuatori”, spiega Rizzello. Variando con precisione il campo elettrico, gli ingegneri possono far sì che l'elastomero esegua vibrazioni ad alta frequenza o movimenti di flessione a variazione continua, o persino rimanga immobile in una specifica posizione intermedia desiderata.

I ricercatori combinano quindi un gran numero di questi minuscoli “muscoli” per creare un braccio robotico flessibile. Quando combinati in questo modo per formare un tentacolo robotico, l'interazione tra i muscoli produce movimenti che imitano quelli del braccio di un polpo, che può ruotare in tutte le direzioni. A differenza dei pesanti e rigidi arti robotici attualmente in uso, che, come gli esseri umani, possono muoversi solo in determinate direzioni, questi nuovi tentacoli robotici sono liberi di muoversi in quasi tutte le direzioni. Gianluca Rizzello, insieme al suo dottorando Johannes Prechtl, ha recentemente vinto il premio Best Paper alla conferenza RoboSoft 2021 per il loro lavoro sullo sviluppo di un prototipo di tentacolo basato su un elastomero dielettrico, uno dei numerosi riconoscimenti ottenuti dal team di ricerca del professor Seelecke. Il team prevede di avere il prototipo di tentacolo completamente sviluppato entro circa un anno.
Quando si tratta di conferire intelligenza ai materiali polimerici, Gianluca Rizzello è un vero esperto. Fornisce all'unità di controllo (ovvero il "cervello" del robot) i dati necessari per muovere il braccio in modo intelligente: un compito molto complesso e ambizioso. Questi sistemi sono molto più complessi degli attuali bracci robotici. "Utilizzare l'intelligenza artificiale per controllare componenti a base di polimeri è molto più difficile che controllare i sistemi meccatronici convenzionali", spiega Rizzello. Poiché i muscoli elastomerici possiedono anche proprietà sensoriali, possono fungere da nervi del sistema, il che significa che il braccio robotico non necessita di sensori aggiuntivi. Ogni distorsione dell'elastomero, ogni cambiamento nella sua geometria, provoca una variazione della capacità del materiale, consentendo al team di assegnare un valore preciso di capacità elettrica a qualsiasi specifica deformazione dell'elastomero. "Misurando la capacità, sappiamo esattamente quale forma ha assunto l'elastomero, permettendoci di estrarre dati dal sensore", spiega Rizzello. "

Questi dati quantitativi possono quindi essere utilizzati per modellare e programmare con precisione il movimento del braccio elastomerico". La ricerca di Rizzello si concentra sullo sviluppo di algoritmi intelligenti in grado di addestrare questi innovativi tentacoli robotici a muoversi e rispondere secondo necessità. "Stiamo cercando di scoprire quali proprietà fisiche sono responsabili del comportamento di questi polimeri". "Più ne sappiamo, più precisamente possiamo progettare gli algoritmi per controllare i muscoli elastomerici", afferma il Dott. Rizzello.

La tecnologia sviluppata nella Saarland sarà scalabile. Può essere utilizzato per creare tentacoli in miniatura per strumenti medici o per fabbricare grandi bracci robotici per applicazioni industriali. Ma a differenza dei pesanti bracci robotici utilizzati oggi, gli arti robotici realizzati con elastomeri intelligenti saranno molto più leggeri. I nostri bracci robotici non necessitano di essere alimentati da motori o sistemi idraulici o pneumatici; possono funzionare semplicemente applicando una corrente elettrica. Inoltre, i muscoli in elastomero possono essere realizzati in forme che soddisfano i requisiti di una specifica applicazione. E consumano pochissima energia elettrica. A seconda della capacità, le correnti elettriche che scorrono sono nell'ordine dei microampere. "Questo tipo di tecnologia robotica morbida è molto promettente per il futuro, poiché la sua produzione è efficiente dal punto di vista energetico ed economicamente vantaggiosa", riassume Stefan Seelecke.

Questa ricerca è supportata dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) attraverso il programma prioritario SPP2100 "Sistemi robotici a materiali morbidi".