Dagli elastomeri dielettrici, muscoli e nervi artificiali per bracci robotici industriali più leggeri e sicuri

Un team tedesco sta lavorando a una nuova generazione di strumenti robotici - più leggeri, più manovrabili e sicuri dei componenti rigidi in uso oggi - creati dalla combinazione di muscoli e nervi derivati da materiali polimerici intelligenti.

TAKEAWAY

  • I pesanti e rigidi bracci robotici presenti nelle linee di produzione industriale sono spesso alloggiati all’interno di gabbie, in modo da proteggere gli operai dal rischio di infortunio in seguito a un contatto improprio con queste macchine.
  • Lo scorso aprile, con la proposta, da parte della Commissione europea, di uno standard per disciplinare l’intelligenza artificiale in Europa, si è aggiunto il nuovo Regolamento Macchine, che va a sostituire la Direttiva Macchine in tema di requisiti di sicurezza di robot e bracci robotici nei luoghi di lavoro.
  • Un contributo importante in tema di sicurezza macchine arriva da un recente studio su una nuova generazione di strumenti robotici più leggeri, più manovrabili e flessibili, creati dalla combinazione di muscoli e nervi derivati da materiali polimerici intelligenti.

Dalla soft robotica, un braccio robotico soft e, più in generale, robot dai materiali morbidi, leggeri e flessibili, in grado di interagire in totale sicurezza con l’essere umano, in particolare nei luoghi di lavoro. Ma Perché parliamo di “totale sicurezza” riferendoci a questi sistemi?

In genere, i robot utilizzati nelle fabbriche e nei magazzini sono macchine grandi, pesanti e rigide. Si pensi che i bracci robotici attualmente presenti nelle linee di produzione – ad esempio, per operazioni di saldatura, assemblaggio, verniciatura, accatastamento e sollevamento – sono spesso alloggiati all’interno di gabbie. E questo per proteggere gli operai dal rischio di infortunio in seguito a un contatto improprio con queste macchine, a un eccessivo avvicinamento ad esse durante la loro attività.

Sul tema sicurezza nei luoghi di lavoro, ricordiamo che, lo scorso 21 aprile, con la proposta, da parte della Commissione europea, di uno standard per disciplinare l’intelligenza artificiale in Europa, si è aggiunto il nuovo Regolamento Macchine, che va a sostituire la ben nota Direttiva Macchine in tema di requisiti di sicurezza dei prodotti delle macchine, tra cui robot e bracci robotici impiegati nelle linee di produzione industriale.

Ma un contributo importante in questa direzione arriva anche dalla ricerca, col recente studio del team guidato dal professor Stefan Seelecke e dal professor Gianluca Rizzello della Saarland University – a Saarbrücken, capitale della regione tedesca della Saarland – e dal Center for Mechatronics and Automation Technology (ZeMA) della stessa città.

Nel dettaglio, i ricercatori stanno lavorando a una nuova generazione di strumenti robotici – più leggeri, più manovrabili, più flessibili e sicuri dei componenti rigidi in uso oggi – ottenuti dalla combinazione di muscoli e nervi derivati da materiali polimerici intelligenti.

Una spinta accidentale da parte di uno di questi strumenti sarebbe come essere urtati da un collega” commenta Seelecke. Sottolineando, così, il più elevato grado di sicurezza delle nuove macchine alle quali stanno lavorando.

Braccio robotico soft: la ricerca degli ingegneri robotici di Saarbrücken

Il materiale utilizzato dal gruppo di studio tedesco è un tipo speciale di polimero, noto come “elastomero dielettrico“, le cui caratteristiche lo rendono di facile compressione e, successivamente, di facile allungamento per riacquistare la sua forma originale.

Sfruttando tali proprietà, i ricercatori hanno stampato degli elettrodi su entrambi i lati del materiale elastomerico: in questo modo, quando viene applicata una tensione, i due elettrodi si attraggono, comprimendo il polimero e facendolo espandere, contraendolo e rilassandolo come fosse un tessuto muscolare.

E, variando con precisione il campo elettrico, è possibile fare eseguire all’elastomero vibrazioni ad alta frequenza oppure movimenti di flessione continuamente variabili. O, addirittura, è possibile che rimanga fermo in una particolare posizione intermedia.

Il team ha, quindi, combinato un grande numero di questi piccoli “muscoli” per creare un braccio robotico soft e flessibile. Al punto che – quando combinati in questo modo per formare un tentacolo di robot – l’interazione tra i muscoli produce movimenti che imitano quelli di un braccio di polpo, in grado di torcersi e girarsi in tutte le direzioni.

Ma in che modo viene conferita intelligenza al materiale polimerico utilizzato? Ovvero, come viene fornita, all’unità di controllo, al “cervello” del robot, l’input necessario per muovere il braccio in modo intelligente?

braccio robotico soft
Elastomeri dielettrici in primo piano, impiegati dai ricercatori di Saarbrücken per creare muscoli e nervi artificiali da utilizzare per il funzionamento di bracci robotici leggeri, flessibili e sicuri (Credit: Oliver Dietze).

Il controllo dei componenti a base di elastomeri dielettrici

Il professor Gianluca Rizzello spiega che l’uso dell’intelligenza artificiale per controllare i componenti a base di polimeri è un compito più impegnativo rispetto al controllo dei sistemi meccatronici convenzionali.

Inoltre, poiché i muscoli elastomerici hanno anche proprietà sensoriali, possono fungere da “nervi” del sistema. Il che significa che il braccio robotico soft non ha bisogno di essere dotato di sensori aggiuntivi. Fa notare Rizzello:

Ogni distorsione dell’elastomero, ogni cambiamento nella sua geometria provocano un cambiamento nella capacità del materiale, che consente al team di assegnare un preciso valore di capacità elettrica a qualsiasi sua deformazione specifica. Misurando tale capacità, sappiamo esattamente quale forma ha adottato l’elastomero

Questi dati quantitativi vengono, quindi, utilizzati per modellare e programmare con precisione il movimento del braccio robotico soft. Il fulcro del lavoro di ricerca del team è lo sviluppo di algoritmi di intelligenza artificiale in grado di controllare i movimenti di questi nuovi tentacoli robotici, di “insegnare” loro a muoversi e a rispondere nel modo richiesto.

Stiamo cercando di scoprire quali proprietà fisiche sono responsabili del comportamento di questi polimeri. Più ne sappiamo, più possiamo progettare con precisione gli algoritmi per controllare i muscoli elastomerici” conclude Stefan Seelecke.

La tecnologia sviluppata dagli ingegneri di Saarbrücken sarà scalabile, ossia potrà essere utilizzata, oltre che in ambito industriale, anche per mettere a punto strumenti diagnostici composti da tentacoli in miniatura oppure per realizzare grandi bracci robotici sempre destinati alle fabbriche.

A differenza dei pesanti bracci robotici normalmente in uso nelle linee di produzione industriale, quelli realizzati dalla combinazione di muscoli e nervi ottenuti da materiali polimerici intelligenti saranno molto più leggeri e sicuri, senza la necessità di essere azionati da motori, da sistemi idraulici o pneumatici, ma alimentati semplicemente da (poca) corrente elettrica. E possono essere prodotti in forme diverse, che soddisfano i requisiti di applicazioni specifiche.

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Paola Cozzi
Giornalista dal solido background acquisito lavorando presso i più prestigiosi Editori italiani | Ventidue anni di esperienza nello sviluppo di prodotti editoriali b2b, cartacei e digitali | Vent'anni alla direzione di una testata b2b in tema di Sicurezza anticrimine di tipo fisico | Attualmente si dedica al Giornalismo Digitale ed esplora nuove tecniche e nuovi stili di comunicazione
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