La creazione di un metamateriale meccanico in cui l’energia necessaria ad azionare i movimenti proviene dalle sue stesse unità, senza l’intervento di forze esterne, suggerisce che nei robot esiste una fisica intrinseca che basta a se stessa.

In uno scenario futuro, nei dispositivi robotici, abilità come il movimento, l’invio di segnali e la percezione dell’ambiente circostante, anziché essere gestite da un sistema di controllo centrale, potrebbero risultare quale prodotto delle interazioni fra le singole unità che compongono la macchina?

La domanda è particolarmente pertinente se si pensa alla soft robotics e alle sue applicazioni, che vedono robot dalle dimensioni ridotte e dai materiali morbidi, deformabili e flessibili introdursi agevolmente in contesti naturali assai complessi e destrutturati come lo sono, ad esempio, le profondità oceaniche e lo spazio.

A proposito di materiali deformabili e flessibili, per le specifiche attività dei soft robot, la ricerca più recente fa riferimento allo sviluppo dei “metamateriali”, definiti in “Focus on Metamaterials in Robotics and Intelligent Structures” – edito da Materials Research Express – «una classe di materiali che derivano le loro caratteristiche dalle microstrutture interne più che dalla loro composizione chimica, fabbricati artificialmente per ottenere proprietà non presenti nei materiali che si trovano in natura». In particolare, tra i metamateriali, quelli meccanici – si legge nello scritto – presentano funzionalità avanzate, tra cui assorbimento di energia, rigidità quasi nulla e una propria logica meccanica interna.

Tornando alla nostra domanda di apertura, il lavoro a cura dell’Università di Amsterdam, illustrato in “Non-reciprocal topological solitons in active metamaterials” (Nature, 20 marzo 2024), suggerisce una risposta interessante a partire dall’osservazione del comportamento dei “solitoni topologici” nei metamateriali robotici.

Vediamo insieme di che cosa si tratta e in che modo, in futuro, tale scoperta potrebbe essere destinata a cambiare i meccanismi di controllo dei movimenti, della comunicazione e della percezione nei robot.

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Takeaway

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Cosa sono i solitoni topologici

Lo studio olandese è incentrato sui cosiddetti “solitoni topologici”, sul loro significato e sul loro ruolo all’interno delle interazioni tra le componenti dei metamateriali robotici.

«Un solitone topologico è una tipo di onda guidata da campi esterni che si comporta come una particella. Solo che, a differenza di questa, è in grado di muoversi, ma non di espandersi, né di dissolversi come ci si aspetterebbe, ad esempio, da un’increspatura sulla superficie dell’acqua»: questa la descrizione che ne dà il gruppo di lavoro.

L’originalità degli autori sta nell’avere combinato le caratteristiche uniche dei solitoni topologici – vale a dire il potersi muovere mantenendo sempre la propria forma, ma senza dileguarsi improvvisamente – con quelle che, in fisica, vengono denominate “interazioni non reciproche”, in cui, per intenderci, «un agente A reagisce a un agente B in modo diverso rispetto al modo in cui l’agente B reagisce all’agente A».

Il ragionamento che, in sede di ricerca, ha guidato tale scelta, oltre al voler rimediare alla scarsa considerazione, ad oggi, da parte del mondo della fisica, nei confronti dello studio delle interazioni non reciproche (sebbene relative a dinamiche ampiamente note nei gruppi umani, come nei sistemi viventi complessi), «in quanto queste possono sussistere solo in sistemi fuori equilibrio», poggia sulla volontà di introdurre questa tipologia di interazioni nei materiali, con l’obiettivo – sottolinea il team – di superare il concetto di “confine” tra materiali e macchine, dando vita a «materiali animati o il più possibile realistici».

Il rapporto tra solitoni topologici e interazioni non reciproche nei metamateriali robotici

Il metamateriale robotico messo a punto dagli autori si compone di una catena di piccole unità robotiche (rotori meccanici) date da coppie di aste rotanti collegate tra loro da elastici e montate, ciascuna, su un motore elettrico che esercita una piccola forza su ogni asta. Le interazioni tra le aste sono controllate dai motori, dai campi magnetici presenti sulle stesse aste (attratti, a loro volta, da magneti posti accanto alle unità robotiche) e dalle fasce elastiche (si veda l’immagine di apertura, in alto).

Ciò che i ricercatori hanno osservato è che, in stato di perfetto equilibrio, tutte le coppie di aste rotanti sono nella medesima posizione, cioè inclinate a sinistra oppure a destra. Quando, invece, l’asta di sinistra di una singola coppia viene spinta in modo da girare nell’altro senso, anche l’asta di destra si gira (interazione reciproca). Ma quando è l’asta di destra della coppia ad essere girata da un orientamento a un altro, quella di sinistra non compie lo stesso movimento ed entrambe ritornano al loro orientamento originale (interazione non reciproca).

Un’altra osservazione interessante ha a che vedere col momento in cui, all’interno del metamateriale robotico creato ad hoc dal team, le coppie di aste rotanti sono collegate in fila a formare una catena e vengono perturbate da una forza: ebbene, gli autori spiegano che è proprio nello spazio mobile, in quel confine che, nella catena, si forma tra due coppie vicine, in cui la prima è tutta inclinata a sinistra e la seconda tutta a destra, che emerge il solitone topologico, mentre, al contrario, nello spazio tra quelle coppie vicine in cui la prima è tutta inclinata a destra e la seconda a sinistra, che si forma il cosiddetto “anti-solitone“.

Quali dinamiche danno origine ai due schemi di comportamento osservati?

I campi magnetici e l’effetto domino

Per rispondere alla domanda, ricordiamo che studi precedenti condotti su questo metamateriale robotico hanno dimostrato che, in stato di linearità, ossia in cui il movimento delle unità robotiche produce onde caratterizzate da semplici relazioni lineari, il comportamento dell’insieme dei componenti è di tipo ondulatorio.

In questo lavoro, invece, il team ha volontariamente posto dei limiti al movimento ondulatorio delle unità robotiche inserendo campi magnetici (sia sulle aste rotanti che accanto a ogni unità), «provocando così una forte non linearità nel sistema». Questa è la novità. Più nello specifico:

«… i campi magnetici hanno prodotto coppie di pozzi di energia potenziale generando due stati stabili: uno caratterizzato da coppie di aste rotanti tutte inclinate a sinistra oppure tutte a destra, uno in cui ciascuna coppia può rimanere invariata nel suo orientamento, cioè “a riposo”»

È questo – precisa il gruppo di studio – che ha complicato sostanzialmente il sistema, al punto che il comportamento emergente del metamateriale descritto diventa difficile da correlare al comportamento dei suoi singoli costituenti.

In questo particolare scenario, il movimento dei solitoni topologici viene paragonato a quello di «una catena di tessere del domino che cadono e ciascuna fa cadere quella vicina. Però – questo è il punto saliente – a differenza del domino, le interazioni non reciproche introdotte dagli autori fanno si che il “rovesciamento” possa avvenire in una direzione sola».

In passato, diverse ricerche si sono focalizzate sul movimento dei solitoni topologici in seguito all’intervento di forze esterne. E, ad oggi, quello che è stato rilevato è che solitoni e anti-solitoni si muovono in direzioni tra loro opposte.

Il volere porre un controllo su tali movimenti, il volerli gestire, impone necessariamente una guida che “forzi” solitoni e anti-solitoni verso la stessa direzione. L’avere introdotto le interazioni non reciproche all’interno del metamateriale, ha portato l’Ateneo di Amsterdam a questo risultato. Più nel dettaglio:

«… quando i motori della catena delle unità robotiche sono spenti, i solitoni e gli anti-solitoni possono essere spinti manualmente verso destra o verso sinistra, indistintamente. Ma una volta accesi i motori – e quindi le reciproche interazioni – i solitoni e gli anti-solitoni scivolano automaticamente lungo la catena, muovendosi nella stessa direzione, con una velocità determinata dalla non-reciprocità imposta dagli stessi motori»

Glimpses of Futures

L’aspetto inedito dello studio illustrato consiste nell’avere ideato un metamateriale meccanico in cui l’energia necessaria ad azionare il movimento dei solitoni è direttamente fornita dalle stesse unità robotiche, senza alcun bisogno che venga immessa manualmente, dimostrando, in questo modo, che, oltre alle loro unità di elaborazione centrale, nei robot esiste una fisica intrinseca. E questo apre a una serie di indagini future in tema di autonomia e di controllo delle macchine.

Seguendo tale riflessione, con l’obiettivo di anticipare possibili scenari futuri, proviamo ora a delineare – grazie alla matrice STEPS – gli impatti che l’evoluzione dello studio del comportamento dei solitoni topologici non reciproci nei metamateriali robotici potrebbe avere su più fronti.

S – SOCIAL: sul metamateriale robotico descritto, non intervengono forze esterne: è da questo dato che è necessario procedere per un’analisi coerente delle implicazioni future, a livello sociale, date da meccanismi che spingono solitoni e anti-solitoni nella stessa direzione, attraverso una guida non reciproca. All’interno del metamateriale in oggetto, la forza motrice deriva proprio da tale non-reciprocità, che “forza” localmente le unità robotiche, suggerendo, negli anni a venire, l’ipotesi di solitoni non reciproci in grado di fornire – da soli – un automatismo di guida efficiente per la locomozione robotica, nonché per la messa a punto di materiali funzionali autonomi, senza bisogno di energia proveniente dall’esterno. In quelle applicazioni che prevedono, ad esempio, l’esplorazione dello spazio, di ambienti marini complessi o di superfici oceaniche sottostante gli strati di ghiaccio, tale autonomia di movimento e di spostamento, ottenuta da un’energia intrinseca, domani si tradurrà in soft robot sempre più agili e leggeri (e, di conseguenza, più performanti) perché privi di sensori e di attuatori a bordo, con le funzionalità necessarie alla locomozione integrate nella loro stessa meccanica e attivate dai solitoni topologici.

T – TECHNOLOGY: un aspetto dell’evoluzione dello studio del comportamento dei solitoni topologici non reciproci potrebbe, in futuro, riguardare l’approfondimento dei meccanismi di non-reciprocità all’interno di metamateriali robotici sempre più compositi, giungendo, in particolare, a indagare quei movimenti robotici collettivi responsabili, in taluni casi, di collisioni tra le macchine o dell’assorbimento degli impatti tra queste. Inoltre, in un possibile scenario futuro, le forze che spingono solitoni e anti-solitoni nella stessa direzione potrebbero essere applicate ad altri campi, al di fuori della robotica, per controllare, ad esempio, le dinamiche non lineari che caratterizzano l’ambito dei soft materials (inclusi polimeri, colloidi, gel, schiume), dei sistemi biologici e dei dispositivi nanomeccanici guidati.

E – ECONOMY: come già accaduto, a livello istituzionale, nell’Unione Europea, per un’altra area afferente all’ambito di studi sul comportamento dei solitoni topologici [“Topological solitons in ferroics for unconventional computing”], anche per l’applicazione dei meccanismi dei solitoni topologici non reciproci ai metamateriali robotici, in futuro, si renderà necessario prevedere la definizione di progetti di formazione ad hoc, a supporto di progettisti e costruttori di dispositivi robotici, affinché essi possano realizzare appieno il potenziale di solitoni e anti-solitoni che viaggiano nella stessa direzione e possano affrontare le sfide in un settore che si annuncia promettente sotto il profilo tecnologico ed economico, ma ancora acerbo per quanto concerne la ricerca e lo sviluppo.

P – POLITICAL: in tema di automatismi per la locomozione robotica e di materiali funzionali autonomi, che non necessitano di energia proveniente dall’esterno, già nel 2022, il lavoro congiunto a cura dell’Università di Amsterdam, dell’Université Libre de Bruxelles, dell’Aix-Marseille Université e dell’University of Chicago – “Limit cycles turn active matter into robots” – ne mise in evidenza il lato in ombra, rimarcando come la stessa presenza di fonti di energia intrinseca «è ciò che rende la materia soggetta a instabilità dinamiche e, quindi, difficile da controllare». Se ci allontaniamo dalla soft robotics e pensiamo, invece, ai sistemi robotici collaborativi, ecco che, in uno scenario futuro in cui l’applicazione dei meccanismi dei solitoni topologici non reciproci ai metamateriali robotici diverrà realtà, il rischio di instabilità nei movimenti e le difficoltà nel controllare le macchine potrebbero tramutarsi in pericoli concreti per le persone che vi interagiscono nei luoghi di lavoro o in ambito domestico. A tale riguardo, il nuovo regolamento UE 2023/1230 relativo alle macchine (pubblicato il 29 giugno 2023 e applicabile a partire dal 20 gennaio 2027), che va a sostituire la già nota direttiva macchine 2006/42/CE, impone ai produttori nuovi componenti di sicurezza e agli utenti nuovi requisiti di protezione nell’ambito della collaborazione uomo-macchina, introducendo, al posto della vecchia dichiarazione CE di conformità, la “dichiarazione di conformità UE”, aderente al nuovo quadro legislativo.

S – SUSTAINABILITY: in futuro, i metamateriali robotici privi si sensori e di attuatori, sui quali non intervengono forze esterne e in cui l’energia necessaria al movimento deriva essenzialmente dall’interazione non-reciproca tra le unità che li compongono, sono destinati a contribuire all’avvento della soft robotics sostenibile, con impatti positivi – sia dal punto di vista ambientale che economico – ottenuti grazie alla riduzione delle risorse e dei costi relativi alla produzione, alla diffusione su larga scala e, a fine vita, allo smaltimento di tutti quei componenti e quei dispositivi non più necessari alla funzionalità delle macchine soft, in quanto sostituiti da metamateriali multifunzionali.