I robot di atterraggio si ispirano ai gechi

Le intuizioni ottenute dai duri atterraggi dei gechi che si arrampicano sugli alberi portano a appollaiarsi meglio e controllati nei veicoli aerei robotici.

I robot agili e volanti stanno già svolgendo un ruolo importante in numerosi settori e applicazioni, tra cui la raccolta di dati, la ricerca e il salvataggio, la sorveglianza delle colture e la gestione degli incendi boschivi. Tuttavia, anche i droni all’avanguardia hanno una capacità limitata di atterrare su terreni incerti e posatoi difficili, come il lato di un edificio, un albero o un palo.

“L’atterraggio rapido su superfici verticali è una delle maggiori sfide della robotica aerea”, ha spiegato Ardian Jusufi, Max Planck Group Leader presso l’MPI for Intelligent Systems e Swiss Federal Labs for Materials Science Technology. “Emulare questa manovra amplierebbe il loro spazio di applicazione, come in un campo di macerie post-terremoto, o per assistere i vigili del fuoco, tra gli altri scenari di ricerca e soccorso”.

I robot attuali si affidano a rotori o alettoni per rallentare e riorientarsi prima dell’atterraggio, afferma Jusufi. “L’atterraggio su un muro richiede l’integrazione di più flussi di sensori per controllare le forze aerodinamiche per portare il robot nell’orientamento del corpo inclinato desiderato per una manovra di appollaiata dedicata”, ha spiegato. “Il processo di integrazione di più flussi di sensori è computazionalmente costoso e porta a tempi di reazione lenti ai disturbi ambientali”.

Fu durante una gita nelle foreste pluviali di Singapore che Jusufi si imbatté nel geco asiatico dalla coda piatta, famoso non solo per le sue impareggiabili capacità di arrampicata, ma anche per la sua capacità di scivolare tra gli alberi e atterrare su superfici verticali.

“Sono stato sorpreso di osservare che queste lucertole si schiantano a capofitto contro il tronco dell’albero e si inclinano all’indietro, a capofitto ad angoli estremi dalla superficie verticale, per atterrare”, ha detto Jusufi. “Si scontrano con l’albero a velocità sbalorditive di 22 km/h.”

Queste lucertole fanno affidamento sul loro busto e sulla coda per dissipare l’energia cinetica accumulata durante la loro planata, attaccando il loro atterraggio premendo la coda contro il tronco e impedendo loro di cadere a capofitto. “Ho visto il potenziale di questo meccanismo nella creazione di robot multimodali in grado di appollaiarsi in ambienti simili”, ha affermato Jusufi.

In un recente studio pubblicato in Sistemi intelligenti avanzati, Jusufi e il suo gruppo hanno quindi sviluppato un prototipo dal corpo morbido basato sulle dimensioni, la forma e il peso del geco e che utilizza quella che ha definito una “risposta anticaduta”. Come con il geco, la coda del robot era fondamentale per consentire un atterraggio sicuro, insieme alla rigidità del busto.

“Un busto conforme consente al robot di dissipare quantità significative di energia cinetica all’impatto”, ha spiegato Chellapurath, l’autore principale di questo studio. “Dopo l’impatto, il busto piegato consente agli arti posteriori del robot di impegnarsi con la superficie e la coda rigida riduce il rimbalzo”.

Quando la coda viene premuta contro il muro, fornisce una controcoppia e impedisce al robot di ruotare prima la testa e cadere a capofitto. “In questo spirito, le strutture morphing e l’irrigidimento adattivo consentono sempre più una deambulazione robotica senza precedenti con un controllo semplificato fornito da materiali biomimetici e relazioni tra i sistemi”, ha affermato Jusufi.

La coda viene premuta contro il muro fornisce una controcoppia e impedisce al robot di ruotare prima la testa. Illustrazioni di Melanie Eckermann

Sorprendentemente, affinché l’atterraggio di emergenza funzionasse correttamente, il team ha stabilito la necessità di una coda a tutta lunghezza: una mezza coda non sarebbe adatta. “Questo è particolarmente interessante perché supporta l’idea che queste lucertole si siano potenzialmente evolute per avere code della lunghezza appropriata per la capacità di locomozione del loro corpo”, ha affermato Pranav Khandelwal, uno degli autori dello studio.

Gli scienziati hanno anche testato diversi angoli di avvicinamento e velocità di impatto per tenere conto delle diverse traiettorie di avvicinamento al fine di simulare scenari del mondo reale. La “risposta anticaduta” ha funzionato bene anche quando l’angolo e la velocità di avvicinamento sono cambiati, dimostrando la versatilità di questo meccanismo di appollaiato di ispirazione biologica.

“La risposta anticaduta dei gechi che si schiantano su un muro evidenzia l’importanza della conformità nelle strutture della schiena e della coda per garantire robustezza all’incertezza in un terreno naturale non strutturato”, ha commentato Robert Wood, professore all’Università di Harvard che non è stato coinvolto nello studio. “E più in generale, il lavoro di Jusufi e del suo laboratorio mette in evidenza l’utilità dell’utilizzo di robot bioispirati per esplorare le questioni della biologia in modi senza precedenti”.

Questo studio fornisce nuove informazioni sui requisiti degli atterraggi duri e su come possono essere utilizzati per aumentare la stabilità e semplificare l’appollaiamento controllato nei veicoli aerei.

Il gruppo Max Planck ritiene che vi sia il potenziale per espandere la robustezza dell’atterraggio mediante un’ulteriore messa a punto delle proprietà del materiale del robot e testandolo su una varietà di superfici difficili in ambienti diversi per potenziare le capacità del robot.

Riferimento: Ardian Jusufi, et al., Morphologically Adaptive Crash Landing on a Wall: Soft-Bodied Models of Gliding Geckos with Varying Material Stiffnesses, Advanced Intelligent Systems (2022). DOI: 10.1002/aisy.202200120

Credito immagine caratteristica: Ardian Jusufi Lab

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