Articolo originale: Reaching like an octopus: a biology-inspired model opens the door to soft robot control
Michael O'Boyle | CSL Illinois News and Media
Le braccia dei polpi coordinano quasi infiniti gradi di libertà per eseguire movimenti complessi come estendersi, afferrare, prendere, strisciare e nuotare. Come questi animali riescano a svolgere una così ampia gamma di attività rimane una fonte di mistero, stupore e ispirazione. Parte della sfida deriva dall'intricata organizzazione e biomeccanica dei muscoli interni.
Questo problema è stato affrontato nel progetto multidisciplinare guidato da Prashant Mehta e Mattia Gazzola, professori di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign. Come riportato in Proceedings of the Royal Society A, i due ricercatori hanno sviluppato un modello fisiologicamente accurato dei muscoli del braccio del polpo.
L'innovazione del soft robot che si ispira ai polpi
"Il nostro modello, il primo del suo genere, non solo fornisce una visione del problema biologico, ma anche un quadro per la progettazione e il controllo di robot morbidi in futuro", ha dichiarato Mehta.
Le impressionanti capacità delle braccia dei polpi sono da tempo fonte di ispirazione per la progettazione e il controllo di robot morbidi. Questi robot morbidi hanno il potenziale per svolgere compiti complessi in ambienti non strutturati. Possono operare in sicurezza intorno all'uomo, con applicazioni che vanno dall'agricoltura alla chirurgia.
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Le sfide e le potenzialità dei soft robot
Lo studente Heng-Sheng Chang, autore principale dello studio, ha spiegato che i sistemi a corpo morbido come le braccia dei polpi rappresentano una sfida importante per la modellazione e il controllo. "Sono guidati da tre gruppi muscolari interni principali - longitudinale, trasversale e obliquo - che fanno sì che il braccio si deformi in diverse modalità: estensione, flessione e torsione", ha detto. "Questo conferisce alle braccia muscolari morbide una notevole libertà, a differenza delle loro controparti rigide".
L'intuizione chiave del team è stata quella di esprimere la muscolatura del braccio utilizzando una funzione di energia immagazzinata, un concetto mutuato dalla teoria della meccanica dei continui. Udit Halder, coautore dello studio, ha spiegato che "il braccio si trova al minimo di un panorama energetico. L'attivazione muscolare modifica la funzione di energia immagazzinata, spostando così la posizione di equilibrio del braccio e guidando il movimento".
Interpretare i muscoli utilizzando l'energia immagazzinata semplifica notevolmente la progettazione del controllo del braccio. In particolare, lo studio delinea una metodologia di controllo a forma di energia per calcolare le attivazioni muscolari necessarie a risolvere compiti di manipolazione come raggiungere e afferrare. Quando questo approccio è stato dimostrato numericamente nell'ambiente software Elastica, questo modello ha portato a un movimento straordinariamente simile alla vita quando un braccio di polpo è stato simulato in tre dimensioni. Inoltre, secondo Halder, "il nostro lavoro offre garanzie matematiche di prestazioni che spesso mancano in approcci alternativi, compreso l'apprendimento automatico".
"Il nostro lavoro fa parte di un ecosistema più ampio di collaborazioni in corso all'Università dell'Illinois", ha detto Mehta. "A monte, ci sono biologi che eseguono esperimenti sui polpi. A valle, ci sono robotisti che prendono queste idee matematiche e le applicano a veri e propri robot morbidi".
Il futuro della ricerca
I gruppi di Mehta e Gazzola hanno collaborato con Rhanor Gillette, professore emerito di fisiologia molecolare e integrativa dell'Illinois, per incorporare la fisiologia osservata del polpo nel loro modello matematico per questo studio. Il lavoro futuro discuterà le implicazioni biologiche del controllo basato sull'energia. Inoltre, i ricercatori stanno collaborando con Girish Krishnan, professore di ingegneria dei sistemi industriali e aziendali dell'Illinois, per incorporare le loro idee matematiche nella progettazione e nel controllo di robot morbidi reali. Questo non solo creerà un modo sistematico di controllare i robot morbidi, ma fornirà anche una comprensione più profonda dei loro meccanismi di funzionamento.
Questo lavoro fa parte del progetto CyberOctopus, un'iniziativa di ricerca universitaria multidisciplinare del Coordinated Science Laboratory dell'Università dell'Illinois sostenuta dall'Office of Naval Research.
