Festo presenta delle braccia robotiche bioniche flessibili e delicate come la proboscide di un elefante

Hannover Messe: braccia robotiche bioniche flessibili e delicate come la proboscide di un elefante

Muscoli e nervi artificiali realizzati con la lega a memoria di forma nichel-titanio stanno rendendo le braccia dei robot flessibili e agili come le loro controparti animali. Ma anche questi arti artificiali pesano meno, funzionano instancabilmente e possono essere controllati con precisione. I bracci robotici bionici sviluppati dal gruppo di ricerca del professor Stefan Seelecke presso l’Università di Saarland in collaborazione con lo specialista tedesco di automazione Festo consumano pochissima energia elettrica e possono lavorare in sicurezza con gli esseri umani. Il team di ricerca presenterà la tecnologia alla Fiera di Hannover di quest’anno dal 17 al 21 aprile (padiglione 002, stand B34).

I robot industriali di oggi sono potenti, veloci e altamente precisi, ma sono anche pesanti e potenzialmente pericolosi per la vita. Chi lavora con queste macchine deve fare attenzione, essere colpiti da un braccio robotico industriale può avere conseguenze dolorose. Se le persone devono lavorare fianco a fianco e mano nella mano con i robot, i robot dovranno, letteralmente, diventare più morbidi. Il gruppo di ricerca guidato dal professor Stefan Seelecke, specialista in sistemi di materiali intelligenti presso l’Università di Saarland, sta sviluppando un braccio robotico che non incorpora alcuna parte di metalli pesanti.

I ricercatori di Saarbrücken hanno tratto ispirazione dal mondo naturale, in particolare dalla proboscide dell’elefante. “La proboscide di un elefante è una storia di successo evolutivo che ha avuto milioni di anni per adattarsi e mettersi alla prova nella pratica”, ha spiegato Stefan Seelecke. Il sottile braccio robotico simile a un tronco che il team di ricerca sta sviluppando può oscillare, oscillare e piegarsi in tutte le direzioni. A differenza dei pesanti bracci metallici articolati utilizzati nei robot industriali odierni, il nuovo braccio del robot non è fissato a un giunto ingombrante che consente il movimento solo in determinate direzioni. E proprio come la proboscide di un elefante non contiene ossa, la proboscide robotica non ha alcuna struttura metallica rigida. La sua flessibilità e manovrabilità derivano dal modo intelligente in cui i suoi muscoli artificiali interagiscono tra loro.

“Utilizzando sistemi di materiali intelligenti, siamo in grado di creare strumenti robotici pieghevoli e morbidi che sono molto più leggeri e molto più flessibili dei dispositivi in ​​uso oggi. Non hanno bisogno di essere azionati da motori o da sistemi idraulici o pneumatici: tutto ciò di cui hanno bisogno è un po’ di energia elettrica. Ciò rende la nostra tecnologia sostenibile, conveniente e silenziosa’, ha affermato Stefan Seelecke. Il suo gruppo di ricerca presso la Saarland University e presso il Center for Mechatronics and Automation Technology di Saarbrücken (ZeMA) sta sviluppando diversi tipi di muscoli artificiali da utilizzare in tronchi e tentacoli robotici intelligenti. Gli ingegneri fanno uso di polimeri intelligenti e leghe a memoria di forma durante la progettazione di questi sistemi. Il team presenterà un nuovo prototipo di baule robotico all’Hannover Messe di quest’anno. Dimostreranno le capacità della proboscide lunga 30 centimetri i cui “muscoli” e “nervi” sono costituiti da fasci di fili di nichel-titanio. “La tecnologia che stiamo sviluppando è scalabile e può essere utilizzata in grandi bracci robotici per applicazioni industriali”, ha affermato Seelecke.

I muscoli artificiali realizzati con fili di nichel-titanio possono contrarsi come i muscoli degli organismi viventi. Possono, a comando, essere accorciati (contrazione muscolare) e poi nuovamente allungati (rilassamento muscolare). La capacità del nichel-titanio di comportarsi in questo modo è dovuta al fatto che la lega possiede l’insolita proprietà della memoria di forma, cioè il materiale è in grado di ‘ricordare’ la sua forma originale e di ritornarvi dopo essere stato deformato. Se un filo di nichel-titanio viene riscaldato, ad esempio da una corrente elettrica, si accorcerà. Quando la corrente viene interrotta, il filo si raffredda e ritorna alla sua lunghezza originale. La ragione di questo comportamento risiede nella struttura cristallina della lega. “Il riscaldamento della lega induce transizioni di fase allo stato solido”, ha spiegato il professor Paul Motzki, che conduce ricerche con Stefan Seelecke e detiene una cattedra interistituzionale nel campo dei sistemi di materiali intelligenti per la produzione innovativa presso la Saarland University e ZeMA. A differenza dell’acqua liquida, ad esempio, che cambia stato e diventa gassosa quando viene riscaldata, il nichel-titanio rimane allo stato solido, ma la sua struttura cristallina subisce una trasformazione.

Gli ingegneri costruiscono il tronco robotico da un gran numero di filamenti muscolari artificiali. Proprio come il tessuto muscolare umano è costituito da fasci di fibre muscolari, i filamenti muscolari artificiali comprendono fasci di fili ultrafini a memoria di forma. Questi fasci di fili ultrasottili forniscono un’ampia superficie attraverso la quale possono trasferire il calore, il che significa che si raffreddano e si rilassano più rapidamente dopo la contrazione. E sono anche forti. “I fili hanno la più alta densità di energia di tutti i meccanismi di azionamento conosciuti e possono fornire una notevole forza di trazione. Ciò ci consente di costruire potenti tecnologie di propulsione in spazi molto ridotti, cosa che altrimenti sarebbe impossibile’, ha spiegato il professor Motzki. Infilando i fasci di fili attraverso una serie di sottili dischi di plastica rotondi, i fasci di fili mantengono la distanza tra i dischi, creando così segmenti della struttura tronco-come. Quando uniscono diversi di questi segmenti insieme, i ricercatori possono costruire un intero tronco, con la dimensione dei dischi che si riduce verso l’estremità affusolata del tronco.

Applicando correnti elettriche, il team di ricerca può flettere i muscoli del tronco. L’accorciamento dei filamenti muscolari artificiali su un lato di un segmento muscolare fa sì che il tronco si pieghi verso l’esterno all’angolo desiderato in quella posizione. Controllando il modo in cui vengono attivati ​​i singoli fasci di fili, i muscoli artificiali possono flettersi ed estendersi per creare sequenze fluide di movimenti. Senza bisogno di sensori aggiuntivi, i ricercatori possono così controllare la posizione del tronco in modo rapido e preciso e quindi fargli eseguire quasi tutte le sequenze di movimenti. Non sono necessari sensori aggiuntivi perché i muscoli artificiali stessi hanno proprietà sensoriali, che consentono loro di agire anche come una sorta di sistema nervoso interno. ‘Ogni distorsione dei fili provoca un cambiamento di resistenza elettrica, che ci permette di assegnare un preciso valore di resistenza ad ogni specifica deformazione del filo. Utilizzando questi valori di resistenza, sappiamo esattamente in che modo un particolare fascio di cavi è attualmente deformato, il che essenzialmente conferisce proprietà sensoriali al sistema’, ha spiegato il dottorando Yannik Goergen, che ha sviluppato il tronco artificiale come parte del suo progetto di ricerca di dottorato. Per addestrare il tronco bionico, gli ingegneri utilizzano questi valori per modellare e programmare le sequenze di movimento, il che a sua volta comporta lo sviluppo di algoritmi intelligenti per questo scopo. Possono anche dotare la punta del tronco di funzioni aggiuntive, come uno strumento di presa o un sistema di telecamere. Il tronco potrebbe anche essere dotato di un tubo che potrebbe erogare o pompare con precisione fluidi. sappiamo esattamente come un particolare fascio di cavi è attualmente deformato, il che essenzialmente conferisce proprietà sensoriali al sistema’, ha spiegato il dottorando Yannik Goergen, che ha sviluppato il tronco artificiale come parte del suo progetto di ricerca di dottorato. Per addestrare il tronco bionico, gli ingegneri utilizzano questi valori per modellare e programmare le sequenze di movimento, il che a sua volta comporta lo sviluppo di algoritmi intelligenti per questo scopo. Possono anche dotare la punta del tronco di funzioni aggiuntive, come uno strumento di presa o un sistema di telecamere. Il tronco potrebbe anche essere dotato di un tubo che potrebbe erogare o pompare con precisione fluidi. sappiamo esattamente come un particolare fascio di cavi è attualmente deformato, il che essenzialmente conferisce proprietà sensoriali al sistema’, ha spiegato il dottorando Yannik Goergen, che ha sviluppato il tronco artificiale come parte del suo progetto di ricerca di dottorato. Per addestrare il tronco bionico, gli ingegneri utilizzano questi valori per modellare e programmare le sequenze di movimento, il che a sua volta comporta lo sviluppo di algoritmi intelligenti per questo scopo. Possono anche dotare la punta del tronco di funzioni aggiuntive, come uno strumento di presa o un sistema di telecamere. Il tronco potrebbe anche essere dotato di un tubo che potrebbe erogare o pompare con precisione fluidi. Per addestrare il tronco bionico, gli ingegneri utilizzano questi valori per modellare e programmare le sequenze di movimento, il che a sua volta comporta lo sviluppo di algoritmi intelligenti per questo scopo. Possono anche dotare la punta del tronco di funzioni aggiuntive, come uno strumento di presa o un sistema di telecamere. Il tronco potrebbe anche essere dotato di un tubo che potrebbe erogare o pompare con precisione fluidi. Per addestrare il tronco bionico, gli ingegneri utilizzano questi valori per modellare e programmare le sequenze di movimento, il che a sua volta comporta lo sviluppo di algoritmi intelligenti per questo scopo. Possono anche dotare la punta del tronco di funzioni aggiuntive, come uno strumento di presa o un sistema di telecamere. Il tronco potrebbe anche essere dotato di un tubo che potrebbe erogare o pompare con precisione fluidi.

Sfondo:
Il lavoro di ricerca sul tronco bionico è stato svolto in collaborazione con il Gruppo Festo. Questa tecnologia continua ad essere sviluppata dagli studenti di dottorato che stanno conducendo ricerche nell’ambito dei loro progetti di tesi di dottorato. I risultati sono stati pubblicati come documenti in una varietà di riviste scientifiche. Il lavoro di ricerca ha anche ricevuto il sostegno di numerose fonti. Ad esempio, la Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) ha fornito finanziamenti attraverso il progetto “DFG SPP 2100 Soft Materials Robotics” e il Ministero federale per gli affari economici e l’azione per il clima (BMWK) ha finanziato il progetto “AutoEndoskop – Inspection of Complex Components, Turbines ‘, che fa parte del programma federale di innovazione per le medie imprese ZIM.
La società “mateligent GmbH” è stata scorporata dal dipartimento del professor Seelecke per facilitare il trasferimento dei risultati della loro ricerca basata sulle applicazioni ad applicazioni commerciali e industriali.