Il Center for Bits and Atoms del MIT sta lavorando alla progettazione di un sistema robotico modulare assemblatore, frutto, a sua volta, dell’assemblaggio di diversi minuscoli blocchi modulari, in grado di costruire strutture molto più grandi di sé, dalle automobili agli aerei, fino agli edifici e ai robot complessi.

TAKEAWAY

• Prendendo spunto dalla biologia, in cui la crescita degli organismi viventi segue un processo che abbraccia più ordini di grandezza, l’ingegneria robotica prevede, in futuro, minuscoli robot modulari a sciame che assemblano in successione, in ripetizione e in strutture via via sempre più grandi, blocchi di costruzione.
• L’ambizione di fondo punta a future applicazioni in cui piccoli sistemi robotici modulari assemblatori arrivino a costruire un’ampia varietà di grandi strutture, abbattendo i costi dovuti all’impiego delle estese infrastrutture fisse, templi delle attuali fabbriche e dei robot a portale.
• Il lavoro inaugurato dal Massachusetts Institute of Technology è lungo. Tra gli step futuri della ricerca, in primis il perfezionamento del livello di autonomia del sistema e della pianificazione delle sequenze di costruzione, sviluppando algoritmi sempre più complessi deputati al suo processo decisionale.

---

Parlare di robotica modulare – contrariamente a quanto accade con le macchine costituite da un unico blocco – significa fare riferimento a robot in grado di assemblarsi autonomamente, modificando la propria configurazione in base ai compiti da eseguire. E quando tali robot sono organizzati in sciami di diverse dimensioni, l’obiettivo è la costruzione automatizzata di strutture per mezzo di assemblaggi seriali (in successione), ricorsivi (in quanto ripetuti) e gerarchici (in quanto relativi a strutture via via sempre più grandi), «in linea con l’approccio che sfida la convenzione secondo cui le costruzioni più grandi richiedono macchine più grandi per essere realizzate».

È questo il terreno dell’inedito studio a cura del Center for Bits and Atoms del Massachusetts Institute of Technology (MIT), descritto in un articolo – “Self-replicating hierarchical modular robotic swarms” – pubblicato su Nature Communications Engineering il 22 novembre 2022.

Ricordando come le applicazioni nell’ambito delle costruzioni siano al centro dello sviluppo di “sciami robotici”, il team di ricerca fa notare che – fino ad oggi – la fabbricazione automatizzata su larga scala si è avvalsa prevalentemente dell’impiego di “robot a portale” (i cui movimenti avvengono solo su assi lineari), «con prestazioni inferiori rispetto alle loro controparti più piccole».

In particolare, il lavoro dei ricercatori del MIT prende spunto da alcune intuizioni generate guardando alla crescita degli organismi viventi in biologia, «processo che abbraccia più ordini di grandezza, dai ribosomi che assemblano gli aminoacidi in proteine, fino agli organelli, alle cellule, agli organi e agli organismi».

Questa operatività dinamica – spiegano gli autori dello studio – è correlata a due abilità fondamentali, ovvero all’ «auto-replicazione – i ribosomi possono produrre ricorsivamente più ribosomi – e alla gerarchia, per cui a ogni scala vengono utilizzati blocchi di costruzione più piccoli per assemblare costrutti più grandi che, a loro volta, vengono utilizzati come elementi di costruzione per il livello successivo».

L’obiettivo è prendere a prestito queste intuizioni di matrice scientifica per applicarle al processo che guida l’assemblaggio robotico, osservando come, mediante la robotica modulare a sciami, sia possibile realizzare costruzioni in modo “ricorsivo” e “gerarchico”, imitando la natura [per approfondimenti, consigliamo la lettura della nostra guida alla robotica, che spiega cos’è, come funziona e quali sono gli esempi applicativi – ndr].

I concetti di riconfigurazione e di modularità applicati alla robotica

A proposito di robotica modulare a sciami, è il mondo animale a fornire un esempio di operatività dei gruppi fondata sulla “riconfigurazione” continua, ovvero sul movimento interno che consente di modificare la struttura del collettivo (ossia dello “sciame”), in modo da permettere a quest’ultimo di svolgere compiti diversificati e sempre più complessi in ambienti differenti.

Si pensi, ad esempio, ai modelli di sciame tipici degli stormi di uccelli, così come dei banchi di pesci. Trasposto su una scala più piccola, il concetto rimanda al processo di adattamento degli organismi all’ambiente e alle sue ostilità.

Ispirandosi all’adattabilità e alla plasticità di questi “sistemi” naturali, l’ingegneria robotica da tempo cerca di imitarne i comportamenti, trasferendoli a microrobot programmabili, capaci di lavorare e di interagire mediante la riconfigurazione degli sciami.

Lavori precedenti – nota il team di studio – hanno descritto sciami di robot per la generazione coordinata di forme e lo smistamento e la consegna di pacchi. Sono stati sviluppati anche sistemi di sciami robotici per la fabbricazione e la costruzione. «E squadre di bracci robotici su ruote sono addirittura in grado di stampare collettivamente in 3D un singolo oggetto più grande dell’area di lavoro di qualsiasi singolo robot fisso».

Tornando al concetto di “modularità” – viene sottolineato – il motivo per cui viene applicato ai sistemi robotici è quello di ottenere «versatilità, robustezza ed efficienza attraverso la composizione di tipi di parti di base» che si auto-riconfigurano per mezzo di moduli in grado di staccarsi e di muoversi rispetto ai loro vicini e, quindi, di riattaccarsi per formare un robot configurato.

Robotica modulare a sciami: l’assemblaggio di blocchi di costruzione reticolari

Il lavoro del Center for Bits and Atoms del Massachusetts Institute of Technology sulla robotica modulare a sciami poggia, in particolare, su un approccio descritto dagli autori come:

«fondato sull’assemblaggio reversibile di blocchi di costruzione reticolari, in cui la precisione globale è determinata dalla geometria locale, in cui gli errori possono essere rilevati e corretti in modo incrementale e in cui materiali diversi possono essere uniti e le parti possono essere smontate per la loro riconfigurazione continua»

Ciò ha portato alla scelta di materiali reticolari ultraleggeri, con proprietà meccaniche e robotiche eterogenee, le cui applicazioni future includono la costruzione automatizzata di strutture per ali di aeromobili, aerostrutture ultraleggere, infrastrutture riconfigurabili e progetti per strutture spaziali su larga scala.

L’aspetto saliente dei robot modulari assemblatori messi a punto è che le parti che compongono la struttura in fase di costruzione sono tutte costituite dagli stessi blocchi reticolari di cui sono composti i robot. Inoltre, questi ultimi sono in grado di muoversi in sciami e in modo indipendente, per realizzare rapidamente gli assemblaggi.

Il sistema di avvale di connessioni magnetiche tra i singoli blocchi modulari, mentre, per quanto concerne l’azionamento, sono stati impiegati servomotori digitali con un’uscita di forza netta media di circa 57 N/kg.

Più nel dettaglio, le strutture sono costituite da una serie di minuscole subunità denominate “voxel” (ovvero, l’equivalente volumetrico di un pixel bidimensionale) e i robot stessi sono costituiti da una stringa di diversi voxel, capaci – a loro volta – di afferrare un altro voxel utilizzando i punti di attacco posti sulla sua estremità e di metterlo nella posizione desiderata, dove questo viene agganciato alla struttura che si sta costruendo.

La particolarità di questa tipologia di voxel è quella di essere in grado di trasportare sia energia che dati da un’unità all’altra, «consentendo in questo modo la costruzione di strutture in grado non solo di sopportare carichi, ma anche di eseguire lavori, come il sollevamento, lo spostamento e la manipolazione di materiali, compresi i voxel stessi».

Le applicazioni dei robot modulari a sciami

A che cosa serve, nel concreto, la robotica modulare a sciami, così come è stata concepita dai ricercatori del MIT? Si è accennato a sue future applicazioni che vedono, ad esempio, la costruzione automatizzata di strutture per ali, di aerostrutture ultraleggere e di strutture spaziali su larga scala. L’obiettivo, in beve sintesi, è quello di adottare i robot modulari assemblatori a sciami per costruire un’ampia varietà di grandi strutture, oltre ad arrivare a costruire altri robot.

L’esempio citato dai ricercatori riguarda la costruzione degli aeroplani, per la quale, tuttora, vengono sfruttati enormi spazi in cui sono collocati robot a portale dalle dimensioni molto più grandi dei componenti stessi che costruiscono.

I robot modulari assemblatori a sciami, invece, taglierebbero i costi relativi all’impiego di grandi infrastrutture fisse, giungendo a costruire un aereo servendosi di piccoli assemblaggi seriali, ricorsivi e gerarchici.

Allo stesso modo, potrebbero assemblare un’automobile, consentendo di ridurre l’intero processo di produzione, fatto di diverse fasi prima di giungere effettivamente alla costruzione del mezzo.

La ricerca futura

Il sistema robotico assemblatore che si muove a sciami, frutto, a sua volta, dell’assemblaggio di singoli blocchi modulari reticolari, segna solo l’inizio di un nuovo corso di studi.

La ricerca futura dovrà lavorare, innanzitutto, sull’autonomia del sistema e sulla pianificazione puntuale delle sequenze di costruzione, sviluppando algoritmi sempre più complessi deputati al suo processo decisionale.

Al momento, il software che il team del Center for Bits and Atoms ha messo a punto consente solo di ottenere l’esatta posizione del primo blocco modulare e di quelli successivi, «in base alle distanze che devono essere percorse dai robot». Dunque, il lavoro sarà lungo.

Un altro punto che segnerà la ricerca futura in tema di robotica modulare a sciami, concerne i connettori tra le minuscole subunità dei robot (i voxel, per intenderci), al momento non ancora sufficientemente robusti e resistenti da sopportare carichi più pesanti e, dunque, di assemblare strutture più grandi.

L’obiettivo al quale puntano i ricercatori del MIT è quello di un futuro assemblaggio su larga scala, che miri alla costruzione di veicoli, aeromobili e di altri mezzi di trasporto – oltre a robot di ogni dimensione – a partire da minuscoli robot modulari assemblanti, organizzati in sciami.