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Un robot morbido flessibile con stelo per applicazioni biomediche

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Struttura del braccio morbido azionato da stelo. (a) Panoramica del progetto. (b) Vista esplosa. Credito: Wang et al.

I robot morbidi in grado di completare attività con elevata efficienza, accuratezza e precisione potrebbero avere numerose applicazioni preziose. Ad esempio, potrebbero essere introdotti in contesti medici, aiutando i medici a svolgere procedure chirurgiche complesse o assistendo pazienti anziani e vulnerabili durante la riabilitazione.

I robot morbidi sono più flessibili e possono deformarsi di più. Ciò può comportare una maggiore destrezza (cioè una migliore abilità manuale durante il completamento delle attività), nonché una riduzione del carico utile (cioè la capacità del robot di trasportare un carico), perché possono produrre forze inferiori rispetto ai sistemi robotici rigidi

I ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore e dell’Università Jiaotong di Pechino hanno recentemente sviluppato un nuovo robot morbido azionato da stelo (RDSR) che opera attraverso movimenti di spinta e trazione. Questo robot, presentato in un articolo pubblicato nel Lettere di robotica e automazione IEEEcombina i meccanismi di due sistemi robotici precedentemente creati dai membri del gruppo di ricerca.

“Una prestazione ben bilanciata in termini di destrezza, precisione e carico utile potrebbe avere un grande potenziale nelle applicazioni di robot morbidi”, ha detto a TechXplore Cecilia Laschi, una delle ricercatrici che hanno condotto lo studio. “Molti studi si stanno concentrando su quest’area e alcuni lavori e risultati precedenti ci hanno ispirato. Ad esempio, in una ricerca pionieristica pubblicata su Scienza e ingegneria dei materiali, abbiamo sviluppato un robot morbido ispirato al polpo, guidato da tendini longitudinali e trasversali, allo stesso modo ai muscoli del polpo”.

Un robot morbido flessibile con stelo per applicazioni biomediche

Prestazioni di tracciamento della traiettoria del controllo ad anello aperto basato sul modello CC e GP. (a) Caso per percorso circolare. (b) Caso per percorso quadrato. Credito: Wang et al.

Il precedente robot creato da Laschi e dai suoi colleghi dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna in Italia può emulare il modo in cui si muove un polpo allungando, accorciando e piegando i suoi tentacoli. Il loro sistema di nuova concezione potrebbe essere particolarmente promettente per completare missioni in spazi ristretti, come pulire o esplorare, accedere a cavità profonde e intervenire all’interno del corpo umano.

“Il secondo studio che ha ispirato il nostro recente lavoro è stato lo sviluppo da parte del mio team di ricerca di un robot continuo basato su aste flessibili push-pull”, ha spiegato Peiyi Wang, un altro ricercatore coinvolto nello studio. “Combinando il corpo puro e morbido del nostro sistema ispirato al polpo e il braccio a stelo del robot di Wang, il nostro nuovo robot mira a ottenere prestazioni equilibrate in termini di precisione del movimento, spazio di lavoro, DOF, rigidità e forza di uscita attiva”.

Il nuovo robot creato da Laschi, Wang e dai loro colleghi è costituito da un corpo morbido in silicone, una base rigida, dischi terminali e tre tubi di silicio che ospitano ciascuno un’asta flessibile a base di Nitinol (NiTi). Il corpo in silicone, integrato tra la base e il disco terminale, è molto morbido e flessibile, quindi può essere facilmente allungato, accorciato e piegato.

“Ciascuna delle aste flessibili del nostro sistema può essere controllata in entrambe le direzioni di spinta e trazione, il che è diverso dai tendini con la sola azione di trazione”, ha detto Wang. “Il robot morbido guidato da aste (RDSR) può quindi realizzare più movimenti in qualsiasi direzione (più DOF), attraverso il controllo coordinato di tre aste push-pull”.

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Manipolazioni di oggetti eseguite dal nostro robot morbido. RDSR ha completato le attività di pick-and-place con operazioni precise su un ampio spazio di lavoro. (a) Gli oggetti sono stati posizionati vicino al confine dell’area di lavoro (attività 1). (b) È stato posizionato un oggetto con un piccolo diametro di 8 mm (attività 2). Credito: Wang et al.

I ricercatori hanno valutato il loro RDSR in una serie di test, confrontando le sue prestazioni con quelle di un robot morbido a base di silicone (TDSR). Hanno scoperto che il loro nuovo sistema robotico era più rigido e poteva funzionare all’interno di uno spazio di lavoro più ampio (da 2,6 a 5,2 volte più grande).

In contrasto con il TDSR, lo hanno anche confrontato, il loro robot potrebbe applicare attivamente forze di spinta perpendicolari su un piano inclinato e potrebbe anche completare compiti che implicano la manipolazione di oggetti. Insieme, tutti questi risultati suggeriscono che il nuovo robot potrebbe essere più efficace nel completare compiti che comportano la raccolta e il posizionamento di oggetti all’interno di spazi più ampi e con alti livelli di precisione.

“Il movimento ottenuto con azionamento bidirezionale push-pull è originale”, ha detto Laschi. “Dà al robot morbido un controllo più accurato. Un’implicazione notevole del nostro lavoro è il suo potenziale per consentire prestazioni equilibrate in termini di destrezza, precisione e carico utile”.

In futuro, il nuovo sistema RDSR creato da questo team di ricercatori potrebbe aiutare ad affrontare compiti complessi in modo più efficiente e affidabile, raggiungendo livelli di precisione più elevati. Nei loro prossimi studi, Laschi e i suoi colleghi vorrebbero testare l’efficacia dei robot per applicazioni biomediche, tra cui chirurgia, riabilitazione e assistenza agli anziani.

“Abbiamo in programma di migliorare il braccio morbido che abbiamo creato anche su altri aspetti che non sono strettamente legati al design e alla meccanica, ma al controllo dei suoi movimenti”, ha aggiunto Laschi. “L’aggiunta e la modellazione della propriocezione distribuita, ovvero la percezione della postura del braccio, è una sfida da affrontare, così come un robusto sistema di rilevamento per rilevare le forze di contatto”.


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