Innovazioni nella Robotica Morbida
Recentemente, un team di ricercatori portoghesi ha compiuto un notevole progresso nel settore della robotica morbida, sviluppando una tecnologia all’avanguardia che utilizza esclusivamente acqua e calore per generare movimento. Questa innovativa soluzione rappresenta un’alternativa più sicura, efficiente e facilmente scalabile rispetto ai sistemi tradizionali, aprendo la strada a un approccio che era stato a lungo trascurato. L’attuatore a cambiamento di fase, concepito dagli scienziati dell’Università di Coimbra, sfrutta la transizione dell’acqua da liquido a gas come forza motrice per alimentare robot morbidi, eliminando la necessità di sistemi complessi e pesanti. Questo approccio non solo migliora l’efficienza energetica, ma offre anche un’opzione più sostenibile per le applicazioni future.
Caratteristiche del Nuovo Sistema di Attuazione
A differenza dei design convenzionali, che si basano su sistemi pneumatici ingombranti e componenti specializzati, il nuovo sistema è dotato di un elemento riscaldante integrato. Questo componente è progettato per far bollire l’acqua, generando vapore che crea pressione e consente un movimento preciso della struttura morbida. Il team di ricerca ha dichiarato che l’attuatore funziona con una tensione di soli 24 volt, riuscendo a generare oltre 50 newton (N) di forza e a costruire pressione a tassi che raggiungono i 100 kilopascal (kPa) al secondo. La vera forza di questo approccio risiede nella sua semplicità, poiché consente di ottenere prestazioni meccaniche elevate attraverso un processo diretto e intuitivo, rendendo la tecnologia accessibile a un pubblico più ampio.
Efficienza e Innovazione nel Design
Un aspetto innovativo del design è il contatto diretto tra l’elemento riscaldante e il fluido, che riduce la resistenza termica e migliora l’efficienza del sistema. Inoltre, l’energia elettrica viene trasferita direttamente all’elemento riscaldante tramite conduttori interni, semplificando ulteriormente l’intero sistema di attuazione e minimizzando le perdite energetiche associate ai metodi di trasmissione wireless. Questo approccio non solo ottimizza le prestazioni, ma contribuisce anche a una maggiore sostenibilità ambientale, riducendo il consumo energetico complessivo.
Superamento delle Limitazioni Precedenti
Per arrivare a questa tecnologia, il team ha abbandonato tentativi precedenti di attuazione a cambiamento di fase, che spesso si erano scontrati con problemi di deformazione lenta e degrado meccanico. Concentrandosi su aspetti cruciali come il trasferimento di calore, la selezione dei fluidi e l’ottimizzazione del controllo, i ricercatori sono riusciti a superare le limitazioni che avevano ostacolato le tecnologie simili in passato. Nonostante l’alta entalpia di vaporizzazione dell’acqua, che si attesta intorno a 540 cal/g a 100 gradi Celsius, il team ha dimostrato che, con un design adeguato, è possibile sfruttare in modo efficiente anche le transizioni ad alta energia. I loro attuatori, realizzati con elastomeri siliconici e acqua, hanno raggiunto tassi di deformazione del 16,6% al secondo e hanno mantenuto la stabilità per oltre mille cicli di attuazione, dimostrando così la loro affidabilità e durata nel tempo.
Design Modulare e Versatilità degli Attuatori
Un ulteriore progresso significativo è rappresentato dal design modulare degli attuatori. La separazione tra l’elemento riscaldante, la camera del fluido e la scocca morbida esterna ha permesso al team di sviluppare una piattaforma versatile, capace di adattarsi a diversi tipi di movimento. Utilizzando tecniche standard di stampa 3D e fusione, l’attuatore lineare segue un design McKibben, mentre l’attuatore di piegamento si ispira alla struttura Pneu-Net (fPN) veloce. Entrambi i modelli sono caratterizzati da un costo contenuto e da una facile riproducibilità, rendendo questa tecnologia accessibile a una vasta gamma di applicazioni industriali e di ricerca.
Applicazioni Pratiche e Futuro della Robotica Morbida
Inoltre, il team ha implementato algoritmi di controllo non lineari per stabilizzare il processo di ebollizione, affrontando le instabilità meccaniche che possono sorgere durante l’ebollizione sottoraffreddata. Questo approccio garantisce un’attuazione fluida e affidabile, rendendo i dispositivi adatti per applicazioni nel mondo reale. Per testare il design, i ricercatori hanno realizzato tre prototipi: una mano biomimetica dotata di attuatori lineari per una manipolazione fluida, un gripper morbido capace di gestire oggetti irregolari come la frutta, e un robot quadrupede, denominato Bixo, in grado di scalare tubi e tronchi d’albero attraverso un ciclo di presa-estrazione. Bixo, controllato tramite il riscaldamento e il raffreddamento localizzati dei suoi attuatori, ha dimostrato di completare i cicli di movimento in soli 25 secondi, senza necessità di pompe vincolate o materiali pericolosi, evidenziando così il potenziale di questa tecnologia nel migliorare l’efficienza operativa.
Prospettive Future e Sviluppi in Corso
Attualmente, il team è impegnato a migliorare ulteriormente l’efficienza di raffreddamento, a miniaturizzare il sistema e ad aumentare la pressione di uscita. Questi sviluppi potrebbero sbloccare tempi di risposta più rapidi, una maggiore forza e un’applicazione più ampia in vari compiti robotici nel mondo reale. I risultati di questo studio sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature, segnando un importante traguardo nel campo della robotica morbida. Con l’evoluzione continua di questa tecnologia, ci si aspetta che le applicazioni future possano rivoluzionare diversi settori, dalla medicina all’industria, migliorando la qualità della vita e l’efficienza operativa.
