La ricerca lavora alla possibilità di realizzare pelle elettronica per fornire maggiore intelligenza ai robot, ma anche per creare protesi molto più accurate oltre che a wearable design, a tutto vantaggio dell’uomo.

TAKEAWAY

• La pelle è l’organo più grande del corpo umano e conta milioni di recettori tattili.
• Contare su robot rivestiti di pelle elettronica è fondamentale per aumentare la loro intelligenza.
• Le ricerche svolte in materia sono utili anche per creare protesi più accurate e per wearable device di nuova generazione.

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Una delle frontiere più interessanti della robotica sono i robot dalla pelle elettronica. Tutti pensano al cervello, ma una delle più grandi sfide nella costruzione di un robot davvero simile all’uomo è la pelle, che è l’organo più grande del corpo umano oltre che il più pesante: sviluppato su circa 1,5/2 mq, pesa circa 10 chilogrammi.

Inoltre, conta circa 130 recettori tattili ogni centimetro quadrato che rispondono a stimoli come freddo, caldo, tatto, variazione di pressione e dolore. Si tratta quindi di un sistema di sensoristica alquanto complesso e avanzato.

Riuscire a ricreare una pelle robotica, quindi, è un compito alquanto arduo ma capace di garantire enormi vantaggi in vari settori: dall’ambito medico-chirurgico, per realizzare protesi più accurate e provviste di sensibilità, alla realizzazione di wearable device.

Di conseguenza cresce anche l’interesse di mercato, tanto che – stima Allied Market Research – il valore stimato della pelle elettronica a livello globale è destinato a quadruplicare nel giro di pochi anni: da 464 milioni di dollari nel 2020 a 1,7 miliardi di dollari entro il 2025.

Robot dalla pelle elettronica, si lavora all’e-skin

A proposito di robot dalla pelle elettronica, in Germania, presso la TUM-IAS (Institute for Advanced Study – Università Tecnica di Monaco), da tempo si lavora sul concetto di e-skin. Una recente ricerca, coordinata dal professor Takao Someya, docente di ingegneria elettrica lavora alla creazione di una pelle elettronica che imita le proprietà di quella umana, utilizzando tecniche innovative che si rifanno all’elettronica stampata.

Essa impiega inchiostri conduttivi e dielettrici per creare transistor a pellicola sottile stampabili su grandi substrati flessibili. Il concetto di “pelle elettronica artificiale” realizzerà una rete di celle stampate che integrano sensori stampati e circuiti integrati specifici al fine di imitare il “senso del tatto” della pelle umana.

Un gran numero di cellule-sensori sarà collegato a una rete di cellule che determina le informazioni tattili su grandi aree e le trasmette in modo comparabile al sistema nervoso umano.

Una o più cellule possono essere collegate a un sistema di elaborazione per interpretare le informazioni del sensore e supportare altri canali di percezione di un umanoide. La printed electronics offre vantaggi intrinseci allo sviluppo di una pelle artificiale: materiali meccanicamente flessibili e persino estensibili di grandi dimensioni possono essere utilizzati come substrato per inchiostri di materiali elettronici recentemente sviluppati.

Questi possiedono proprietà interessanti, come elevata conducibilità e permittività dielettrica. Una delle sfide principali sarà integrare questi sensori su larga scala, soddisfacendo i requisiti meccanici, l’estensibilità e la flessibilità della pelle umana, e garantendo la corretta performance del sensore e la riproducibilità. Un’architettura simile può essere applicata alle protesi e a strumenti monitoraggio della salute o anche nei wearable device.

Takao Someya, attivo all’Università di Tokyo, è ospite dell’ateneo tedesco di Gordon Cheng del Dipartimento di sistemi cognitivi. Cheng ha sviluppato due anni fa un sistema che combina la pelle artificiale con algoritmi di controllo e l’ha usato per creare il primo robot umanoide autonomo provvisto di pelle elettronica su tutto il corpo.

Essa consiste in cellule esagonali ognuna delle dimensioni di circa 2,5 cm diametro e dotata di un microprocessore e di sensori per rilevare il contatto, l’accelerazione, la vicinanza e la temperatura.

Questa pelle artificiale permette ai robot di percepire l’ambiente circostante in modo molto più dettagliato e con maggiore sensibilità. Questo non solo li aiuta a muoversi in modo sicuro, anche quando operano in contesti dove ci sono persone e fornisce loro la capacità di anticipare ed evitare attivamente gli incidenti.

Intelligenza artificiale per la pelle robotica: il ruolo dell’AI

C’è una forte relazione tra pelli elettroniche (o pelli robotiche) e intelligenza artificiale. Le e-skin – chiamate anche smart skin – forniscono un’immensa quantità di dati mediante sensori in tempo reale; per elaborarli vengono impiegate tecniche di deep learning.

Negli ultimi anni, le soluzioni di pelle artificiale per robot dalla pelle elettronica impiegano particolari reti neurali per ottenere un migliore rilevamento del tocco. Per esempio, le reti neurali convoluzionali sono impiegate per il rilevamento affidabile di più punti di contatto da un sensore di pelle artificiale basato sulla tomografia a impedenza elettrica. Sono aumentate così le applicazioni basate su reti neurali integrate con gli attuali sensori di pelle artificiale, spaziando dalla robotica al monitoraggio della salute.

Tuttavia, gli attuali sistemi di sensoristica tattile devono fare affidamento su computer esterni per il calcolo. Questo causa un significativo rallentamento nella risposta in tempo reale. Da qui ricerca svolta da un team di ingegneri della National University of Singapore.

Essi hanno pubblicato proprio di recente un documento che apre la strada verso l’inferenza (procedimento informatico che simula le modalità con cui la mente trae conclusioni logiche) dell’AI sul corpo mediante cerotti di pelle artificiale indossabili. Il prototipo consiste in un cerotto posto sull’avambraccio che fa uso di un FPGA (dispositivo hardware logico programmabile) per eseguire inferenze.

Un altro team di ricercatori dello stesso ateneo sta lavorando a una pelle elettronica in grado di ricreare il senso del tatto. È un’innovazione che sperano permetterà alle persone con protesi di rilevare gli oggetti, così come sentire la consistenza, o anche la temperatura e il dolore. Il dispositivo, chiamato ACES, o Asynchronous Coded Electronic Skin, è composto da 100 piccoli sensori e misura circa 1 cm quadrato.

Inspirati da invertebrati sottomarini come le meduse, il team della NUS Materials Science and Engineering, in collaborazione con i ricercatori della cinese Tsinghua University e della statunitense University of California Riversidei, hanno messo a punto una pelle elettronica trasparente, estensibile, sensibile al tocco e con capacità di autorigenerarsi in ambienti acquatici.  Potrebbe avere svariati utilizzi: dai touchscreen resistenti all’acqua ai soft robot acquatici.

La stampabilità 3D del materiale evidenzia anche il potenziale per creare circuiti completamente trasparenti utilizzabili in applicazioni robotiche. Il team spera di creare un futuro in cui i dispositivi elettronici realizzati con materiali intelligenti possano eseguire funzioni di auto-riparazione per ridurre la quantità di rifiuti elettronici nel mondo.

Componenti e persino “baffi-sensori” per la pelle elettronica

Oltre a realizzare i presupposti per robot dalla pelle elettronica, si lavora anche ad altre soluzioni o elementi utili ad avvicinarsi quanto più possibile alla percezione tattile. A questo proposito, verrà avviata nel 2022 BioConTact, la ricerca Horizon 2020 promossa dall’IIT – Istituto Italiano di Tecnologia per progettare conduttori elettrici con una biodegradabilità controllabile flessibili, leggeri, scalabili e prodotti con materiali facilmente disponibili. Tale tecnologia entrerà in gioco in applicazioni quali la pelle robotica e già si pensa ad assemblarli con questa funzione nel robot umanoide iCub.

L’ispirazione alla natura è utile anche per il team della cinese School of Nanoscience and Technology, presso la University of Chinese Academy of Sciences di Pechino.

Imitando il modo in cui gli animali esplorano l’ambiente usando i sensori posti sulle vibrisse (i baffi), è stato progettato un meccanorecettore biomimetico pieghevole per il rilevamento tattile robotico. Grazie ai vantaggi della tecnologia dei nanogeneratori triboelettrici, esso può convertire stimoli meccanici esterni in segnali elettrici senza un’alimentazione, un fattore decisamente favorevole alle applicazioni diffuse nei robot, in particolare per lo sviluppo dei sistemi tattili robotici.

Impatto della ricerca e potenziali benefici

Un materiale che imita la pelle umana in forza, elasticità e sensibilità potrebbe essere usato per raccogliere dati biologici in tempo reale. La pelle elettronica, o e-skin, potrebbe giocare un ruolo importante nelle protesi di prossima generazione, nella medicina personalizzata, per robot dalla pelle elettronica e in particolare nella soft robotics.

La prospettiva cui si lavora è una pelle elettronica capace di imitare molte funzioni naturali della pelle umana, come il rilevamento della temperatura e del tatto, con estrema precisione e in tempo reale. Si sa che il mondo della ricerca sta già realizzando muscoli artificiali, articolazioni e tendini per le macchine bipedi.

Ma la realizzazione di un sistema tanto complesso e capace di ricavare molteplici informazioni come la pelle potrebbe permettere un salto di qualità notevole. Le e-skin potrebbero monitorare diverse informazioni biologiche, come i mutamenti della pressione sanguigna, ma permetterebbero alle tecnologie robotiche di contare su una maggiore intelligenza.

L’emergere di innovazioni tecnologiche come nanotecnologie o sensori 2D contribuisce ad accelerare gli sforzi per migliorare la funzionalità e la durabilità delle soluzioni, imitando sempre meglio le caratteristiche della pelle come l’elasticità.