Capitolo 1 : Robotica bio-ispirata

Esiste una sottoclasse del design bio-ispirato che è noto come locomozione robotica bio-ispirata. Si tratta di acquisire conoscenze dai fenomeni naturali e di mettere tali conoscenze a disposizione nella progettazione di sistemi ingegnerizzati che vengono utilizzati nel mondo reale. In un senso più particolare, questa disciplina si occupa della creazione di robot modellati su sistemi biologici, comprese le applicazioni di biomimetica. La "biomimetica" si riferisce al processo di riproduzione dei fenomeni naturali, mentre il "design bio-ispirato" si riferisce al processo di apprendimento dalla natura e allo sviluppo di un meccanismo che è sia più semplice che più efficiente del sistema che si osserva in natura. Un sottocampo distinto della robotica noto come robotica morbida è emerso come risultato dell'uso della biomimetica. Per scopi particolari, i sistemi biologici sono stati ottimizzati in base all'ambiente in cui si trovano. Tuttavia, sono costruiti per svolgere più funzioni e non sono destinati ad essere utilizzati per una singola funzione particolare. Lo studio dei sistemi biologici e la ricerca di processi che potrebbero potenzialmente affrontare un problema nel regno dell'ingegneria sono i due obiettivi principali dei ricercatori di robotica bio-ispirata. Dopodiché, il designer dovrebbe fare uno sforzo per semplificare e migliorare quel meccanismo al fine di adattarsi meglio al particolare compito di interesse. I ricercatori interessati alla robotica bio-ispirata hanno in genere un interesse per i biosensori (come l'occhio), i bioattuatori (come i muscoli) o i biomateriali (come la seta di ragno). La stragrande maggioranza dei robot è dotata di un qualche tipo di sistema di locomozione. Lo scopo di questo articolo è quello di introdurre vari tipi di locomozione animale, nonché alcuni esempi di robot bio-ispirati che sono correlati rispettivamente a queste modalità.

In generale, la biolocomozione, spesso nota come movimento animale, può essere classificata come segue:

Ci sono due tipi di movimento che possono verificarsi su una superficie: la locomozione terrestre e la locomozione arborea. Nella sezione seguente, parleremo specificamente del movimento terrestre e ne entreremo molto più in dettaglio.

Il nuoto e il veleggiamento sono esempi di locomozione che può verificarsi in una linea di sangue o in un terreno di coltura cellulare. Gli esperti di robotica hanno inventato e costruito un gran numero di robot in grado di nuotare e volare. Mentre alcuni di essi utilizzano motori in miniatura o attuatori MEMS standard (inclusi piezoelettrici, termici, magnetici e così via), altri utilizzano cellule muscolari animali come motori.

Che abbiano le zampe o meno, ci sono un gran numero di animali e insetti che si muovono sulla terraferma. L'arrampicata e il salto sono due degli argomenti che verranno trattati in questa parte, insieme al movimento con le gambe e senza arti. È essenziale per il processo di mobilità sulla terraferma che i piedi siano ancorati. Per muoversi senza scivolare su superfici come pareti rocciose lisce e ghiaccio, è fondamentale avere la capacità di aumentare la trazione. Questa capacità è particolarmente vitale quando ci si muove in salita. Ci sono una varietà di sistemi biologici che sono responsabili della fornitura dell'acquisto. Gli artigli si basano su meccanismi basati sull'attrito, le zampe del geco si basano sulle forze della parete e alcune zampe degli insetti si basano sulle forze adesive mediate dai fluidi.

A seconda dei requisiti dell'attività da svolgere, i robot con le gambe possono avere una, due, quattro, sei o anche più di una gamba. L'utilizzo delle gambe anziché delle ruote consente un movimento più efficiente su terreni irregolari, che è uno dei vantaggi più significativi dell'utilizzo delle gambe. Nell'ambito della robotica bio-ispirata, le varietà di movimento delle gambe che sono considerate le più popolari includono la locomozione bipede, quadrupede ed esapedale. Sia Cheetah che Rhex, un robot esapedale affidabile, sono ora i due robot in grado di correre più velocemente. Un altro robot esapedale che è stato costruito all'Università di Stanford si chiama iSprawl. Il suo design è stato influenzato dalla strategia di mobilità degli scarafaggi. La velocità massima che questo robot è in grado di raggiungere è di 2,3 metri al secondo e può percorrere fino a 15 lunghezze del corpo al secondo. Nella nuova iterazione di questo robot viene utilizzato un singolo motore elettrico per la locomozione, in contrasto con la forma a propulsione pneumatica del robot che è stato sviluppato per la prima volta.

La maggior parte degli animali e dei robot biomimetici incontra spesso difficoltà quando si confronta con un terreno che presenta una topografia su una varietà di scale di lunghezza. Il terreno è facilmente attraversato da specie prive di arti come i serpenti, che sono in grado di muoversi su di esso. Diversi tipi di animali e insetti, come vermi, lumache, bruchi e serpenti, sono in grado di muoversi senza usare solo gli arti. Hirose et al. danno una panoramica dei robot che assomigliano ai serpenti nella loro presentazione. I robot con battistrada attivo, i robot con ruote passive e i robot ondulati che utilizzano onde verticali o espansioni lineari sono i diversi tipi di robot che possono essere classificati in questa categoria. Le ruote, utilizzate dalla maggior parte dei robot simili a serpenti, hanno un alto livello di attrito quando si spostano da un lato all'altro, ma un basso livello di attrito quando rotolano in avanti (e possono essere impedite dal rotolamento verso la direzione opposta). È difficile per i robot simili a serpenti arrampicarsi verticalmente perché la maggior parte di essi utilizza l'ondulazione rettilinea o laterale come modalità di locomozione. Più recentemente, Choset ha costruito un robot modulare in grado di imitare una serie di diverse andature di serpente; Tuttavia, non è in grado di eseguire il movimento a fisarmonica. Scalybot è il nome dato a due robot che assomigliano a serpenti che sono stati recentemente costruiti dai ricercatori della Georgia Tech. Il ruolo che le squame ventrali dei serpenti svolgono nell'alterare le caratteristiche di attrito in diverse direzioni è l'obiettivo principale di questi robot per quanto riguarda la loro progettazione. Questi robot sono in grado di esercitare un controllo attivo sulle loro squame, il che consente loro di regolare le loro qualità di attrito e viaggiare in modo efficiente su molte superfici diverse. I ricercatori della Carnegie Mellon University hanno prodotto robot simili a serpenti che sono sia in scala che azionati in modo convenzionale.

L'arrampicata è un'attività eccezionalmente impegnativa poiché i passi falsi dell'arrampicatore possono fargli perdere la presa e cadere. Questo rende l'arrampicata un'impresa particolarmente difficile. Una singola funzionalità che può essere trovata nelle controparti biologiche è stata la base per la maggior parte dei robot che sono stati costruiti. Le forze di Van der Waals, comunemente utilizzate dai geckobot, sono efficaci solo su superfici lisce. Con l'aiuto dei gechi come fonte di ispirazione, i ricercatori della Stanford University hanno prodotto con successo la proprietà appiccicosa che i gechi possiedono. Milioni di microfibre sono state posizionate e fissate a una molla in un modo analogo alla seta che si trova nella zampa di un geco. In condizioni normali, la punta della microfibra sarà affilata e appuntita; Tuttavia, quando la microfibra viene attivata, il movimento di una molla genererà una sollecitazione che provoca la flessione delle microfibre e aumenta l'area di contatto che hanno con la superficie di una parete o di un vetro. Gli scienziati che lavorano per la NASA hanno ideato le pinze per geco, che incorporano la stessa tecnologia ma vengono utilizzate per una varietà di compiti diversi nello spazio. Utilizzando adesivi secchi diretti, gli Stickybots sono più efficaci se applicati su superfici lisce. Tra i robot simili a insetti che utilizzano spine invece di altre parti, i robot Spinybot e RiSE sono esempi. Ci sono alcune restrizioni che si applicano ai robot rampicanti con le zampe. A causa della loro mancanza di flessibilità e del fatto che richiedono uno spazio enorme in cui muoversi, non sono in grado di superare ostacoli significativi. La maggior parte delle volte, non sono in grado di arrampicarsi su superfici lisce e ruvide, né sono in grado di gestire transizioni da verticale a orizzontale.

Ci sono molti tipi diversi di esseri viventi e uno dei lavori che svolgono frequentemente è il salto. Tra le creature che sono in grado di saltare più in alto ci sono la lepre, il canguro, la cavalletta, la locusta e il bharal. Usando la locusta come fonte di ispirazione, l'EPFL ha sviluppato un piccolo robot saltatore da 7 g in grado di saltare fino a 138 centimetri. Il processo di rilascio della tensione di una molla è ciò che provoca il verificarsi dell'evento di salto. "TAUB" (Università di Tel-Aviv e Braude College of engineering) è il nome del robot in miniatura che ha la più alta capacità di salto. Si ispira alla locusta e pesa 23 grammi. Il suo salto più alto è di trecentosessanta centimetri. Le molle di torsione sono utilizzate come mezzo di accumulo di energia e nel design è incorporato un meccanismo di filo e chiusura progettato per comprimere e rilasciare le molle. È stato affermato che l'ETH di Zurigo ha sviluppato un robot che salta dolcemente alimentato dalla combustione di gas esilarante e metano. Il volume della camera è notevolmente aumentato a causa dell'espansione termica del gas che si verifica all'interno della camera di combustione morbida. Ciò si traduce in un salto del robot da due chilogrammi fino a un'altezza...