L'acquisita capacità di appollaiarsi, in volo, sui rami degli alberi, consente ai robot aerei ad ala battente di prestarsi a un'ampia gamma di applicazioni, compresi il monitoraggio discreto della fauna locale, l’osservazione della micro-vegetazione, le ispezioni di contatto e la attività di manipolazione in altitudine.

Uno dei filoni di ricerca più recenti nell’ambito della robotica aerea bioispirata – che, lo ricordiamo, si focalizza sulle caratteristiche biologiche di organismi animali e vegetali, per poi applicarle alla progettazione di agenti artificiali – è rappresentato dai robot dotati di ali mobili (battenti) e in grado di appollaiarsi sui rami degli alberi proprio come fanno gli uccelli, per applicazioni che vanno dal monitoraggio silenzioso (perché privi di eliche) e dal basso impatto ambientale della fauna selvatica all’analisi microscopica della superficie delle piante, dall’ispezione ravvicinata di tubi e linee elettriche fino ad arrivare alle operazioni di sicurezza a contatto con esseri umani, animali, piante e persino strutture industriali.

Ma se le prospettive dei robot aerei bioispirati capaci di planare e di sbattere le ali sono numerose e inedite, riuscire a progettare, per tale tipologia di macchina, l’azione dell’appollaiamento ad ala battente è l’aspetto sfidante dell’intero processo.

Più nello specifico, «l’atterraggio sul ramo da parte del sistema robotico richiede un metodo di presa in grado, allo stesso tempo, di arrestarne il movimento in avanti. Il che è impegnativo a causa dei requisiti combinati di attuazione ad alta velocità, temporizzazione precisa ed elevata resistenza agli urti» si legge nello studio dal titolo “How ornithopters can perch autonomously on a branch” – a cura della Escuela Técnica Superior de Ingeniería presso l’Università di Siviglia e dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) – pubblicato su Nature Communications il 13 dicembre 2022, in cui viene descritto un metodo di appollaiamento autonomo capace di fare atterrare e di mantenere in equilibrio su un ramo grandi robot ad ala battente. Ma andiamo più in profondità.

Robotica aerea bioispirata: appollaiamento autonomo per grandi robot ad ali mobili

La funzione data dall’appollaiarsi da parte di robot ad ala battente sta generando un certo interesse nel campo della robotica aerea bioispirata applicata agli ornitotteri, aeromobili provvisti di ali che sbattono, il cui meccanismo riproduce il volo degli uccelli (il primo rudimentale progetto risale a Leonardo da Vinci).

Attualmente – ricordano gli autori dello studio – l’unico robot ad ala battente in grado di appollaiarsi è RoboBee, una sorta di robot-insetto dal peso di 100 mg messo a punto nel 2015 dall’Università di Harvard:

«… ma l’appollaiarsi a questa scala differisce ampiamente da quanto abbiamo inteso raggiungere con la nostra ricerca. RoboBee, in realtà, si attacca al soffitto piatto sfruttando l’adesione elettrostatica. Fino ad oggi, nessun grande robot ad ala battente ha dimostrato di appollaiarsi su un ramo»

Il lavoro dell’Università di Siviglia e dell’EPFL propone, invece, una tecnica di appollaiamento autonomo per grandi robot ad ali mobili attraverso un meccanismo simile a un artiglio.

In particolare, sono tre gli elementi che caratterizzano il metodo ideato dal team di ricerca: un controllore di volo, un sistema di correzione a distanza ravvicinata e un sistema zampa-artiglio finalizzato all’appollaiamento del robot aereo.

La macchina per mezzo della quale tale metodologia è stata convalidata è un robot aereo dall’apertura alare mobile di 150 centimetri per 700 grammi che, alla prima dimostrazione pratica, è stato in grado di appollaiarsi autonomamente su un ramo, all’interno di uno spazio coperto. Vediamo ora grazie a quali strumenti.

Artigli bistabili come meccanismo che abilita l’appollaiamento del robot

«Quando gli uccelli si avvicinano a un bersaglio di atterraggio, fanno affidamento su una serie di artigli azionati da potenti muscoli, capaci di applicare forze fino a 2,5 volte il loro peso corporeo» fa notare il gruppo di studio.

Ebbene, questi elementi tratti dalla biologia animale si prestano alla ricerca della robotica aerea bioispirata, venendo impiegati – in questo specifico caso – in seno al metodo descritto.

Più nel dettaglio, il sistema deputato al controllo del volo deve poter gestire un volo stabile, pur con il carico del sistema zampa-artiglio e con tutta l’elettronica di bordo necessaria al volo stesso.

«Il controllore di volo dovrebbe portare il robot sufficientemente vicino al ramo, entro il raggio del sistema di correzione a distanza ravvicinata» spiega il team. Un circuito stampato dotato di computer dovrebbe, poi, gestire il volo autonomo e l’operazione dell’appollaiamento.

L’artiglio è tenuto da una gamba robotica controllata, che corregge l’eventuale imprecisione della posizione verticale del volo ad ala battente nel momento stesso in cui i robot si avvicinano al bersaglio di atterraggio.

«L’appendice ad artiglio viene attivata meccanicamente dal ramo stesso e deve essere in grado di resistere all’urto, di chiudersi rapidamente sul ramo e di applicare una forza sufficiente per rimanere in posizione» sottolineano gli autori.

Ma poiché l’atterraggio di un robot aereo su un ramo richiede un’appendice di presa, l’appendice ad artiglio dovrebbe essere in grado di azionarsi rapidamente al momento giusto ed esercitare una forza sufficiente per contrastare l’inerzia al momento dell’atterraggio e, successivamente, la posizione di squilibrio.

Per rispondere a queste esigenze, è stato sviluppato un sistema a zampa di artiglio basato su una doppia fila di piastre in fibra di carbonio, che si chiudono rapidamente sul ramo al contatto:

«La fornitura di energia immagazzinata consente sia velocità che forza elevate. Allo stesso tempo, questo design ad artiglio offre massa ridotta, rilascio dell’impatto e azione autobloccante, grazie alla topologia bistabile»

Gli esperimenti di volo al chiuso

In tema di robotica aerea bioispirata, il primo esperimento di volo del robot-uccello ad ala battente con funzioni di appollaiamento è avvenuto all’interno di uno spazio chiuso e, grazie all’assetto/altitudine controllati, la sua velocità è stata regolata intorno a un set-point di 2,5-3 m/s e la posizione entro un raggio di 15 cm dal bersaglio.

In particolare, il sistema a zampa di artiglio a controllo attivo e dotato di feedback visivo ha esercitato un controllo a distanza ravvicinata e una presa rapida entro 25 ms. Inoltre, «l’azione di rilascio all’impatto ha garantito la chiusura dell’artiglio senza rilevamento o attivazione esterna, aumentando il successo dell’appollaiamento».

I dati di tracciamento dei primi voli mostrano che il controllore di volo ha raggiunto una buona regolazione: quando il robot arrivava entro 150 cm dal ramo, il sistema di rilevamento veniva abilitato, col sensore situato sull’artiglio che forniva la posizione relativa del ramo al microcontrollore della gamba che, a sua volta, correggeva l’angolo per allinearlo al ramo.

Durante questa fase di avvicinamento, il movimento delle ali è sempre stato mantenuto e il controllore di volo è sempre rimasto attivo. Lo sbattimento di ali si è interrotto solo a 20 centimetri dal ramo. E, immediatamente dopo aver colpito il ramo, l’artiglio si è bloccato afferrandolo. «Segnaliamo che l’appollaiarsi sui rami è stato raggiunto in sei test di volo su nove e che non si sono verificati danni nei voli riusciti» fa sapere il team.

Robotica aerea bioispirata: la ricerca futura

In questo inedito lavoro in tema di robotica aerea bioispirata, sebbene le dinamiche del volo siano state dimostrate con successo sperimentalmente, le loro condizioni sono state interamente controllate, azzerando, quindi, tutti i possibili disturbi attorno al percorso.

In uno scenario all’aperto – avvertono i ricercatori – l’accuratezza del volo degraderebbe inevitabilmente, «con conseguenti disturbi, mancanza di precisione nella misurazione e, dunque, manovre di appollaiamento più difficili, con l’esigenza di algoritmi di controllo più complessi».

In futuro, nuovi metodi basati su telecamere – attualmente allo studio – aumenterebbero notevolmente la precisione nella pianificazione della traiettoria di volo e nel controllo attivo a distanza ravvicinata.

In termini di interazione fisica, invece, nuovi materiali tratti dalla soft robotics, per quanto riguarda la composizione dell’artiglio, migliorerebbero ulteriormente la conformabilità attorno a una diversa varietà di dimensioni e di forme dei rami.

Ma sarà la fase di decollo del robot aereo ad ala battente al centro del lavoro futuro del team di studio. Infatti, «mentre il sistema gamba-artiglio si riapre completamente una volta lasciato il ramo, l’assenza di velocità iniziale attualmente impedisce il decollo del volo dal ramo stesso» rimarcano gli autori. A tale riguardo, sono previste diverse strategie:

«Per prima cosa, bisognerà correggere la postura una volta che il sistema è appollaiato, con l’obiettivo di ottenere una configurazione stabile dove, con attrito quasi nullo, l’artiglio può riaprirsi lentamente. Quindi, si dovrà lavorare sull’attivazione delle gambe, per eseguire un salto in avanti e con la massima spinta di sbattimento delle ali»

Infine – concludono – «data una sufficiente altezza da terra, i robot potrebbero cadere dal ramo ed eseguire un recupero in volo controllato, una volta che la loro velocità raggiunge i 2,5 m/s».