Hai bisogno di un momento di leggerezza? Prova a guardare i video degli astronauti che cadono sulla luna. Le riprese della NASA degli astronauti dell'Apollo che inciampano e inciampano mentre rimbalzano al rallentatore sono perfettamente riconoscibili.
Per gli ingegneri del MIT, gli errori lunari evidenziano anche un'opportunità di innovazione.
"Gli astronauti sono fisicamente molto capaci, ma possono lottare sulla Luna, dove la gravità è un sesto di quella terrestre, ma la loro inerzia è sempre la stessa. Inoltre, indossare una tuta spaziale è un peso significativo e può limitare i loro movimenti", afferma Harry Asada, professore di ingegneria meccanica al MIT. "Vogliamo fornire agli astronauti un modo sicuro per rimettersi in piedi in caso di caduta."
Asada e i suoi colleghi stanno progettando un paio di arti robotici indossabili che possano sostenere fisicamente un astronauta e rimetterlo in piedi dopo una caduta. Il sistema, che i ricercatori hanno soprannominato Supernumerary Robotic Limbs o "SuperLimbs", è progettato per estendersi da uno zaino, che trasporterebbe anche il sistema di supporto vitale dell'astronauta, insieme al controller e ai motori per alimentare gli arti.
I ricercatori hanno costruito un prototipo fisico, nonché un sistema di controllo per dirigere gli arti, basato sul feedback dell'astronauta che lo utilizza. Il team ha testato una versione preliminare su soggetti sani che si sono offerti volontari per indossare un indumento costrittivo simile alla tuta spaziale di un astronauta. Quando i volontari hanno tentato di alzarsi da una posizione seduta o sdraiata, lo hanno fatto con meno sforzo quando assistiti da SuperLimbs, rispetto a quando hanno dovuto riprendersi da soli.
Il team del MIT prevede che i SuperLimb possano assistere fisicamente gli astronauti dopo una caduta e, nel processo, aiutarli a conservare la loro energia per altri compiti essenziali. Il progetto potrebbe rivelarsi particolarmente utile nei prossimi anni, con il lancio della missione Artemis della NASA, che prevede di inviare gli astronauti sulla Luna per la prima volta in più di 50 anni.
A differenza della missione in gran parte esplorativa dell'Apollo, gli astronauti di Artemis cercheranno di costruire la prima base lunare permanente, un compito fisicamente impegnativo che richiederà molteplici attività extraveicolari estese (EVA).
"Durante l'era Apollo, quando gli astronauti cadevano, l'80% delle volte avveniva mentre stavano effettuando scavi o qualche tipo di lavoro con uno strumento", afferma Erik Ballesteros, membro del team e dottorando del MIT. "Le missioni Artemis si concentreranno principalmente sulla costruzione e sullo scavo, quindi il rischio di caduta è molto più elevato. Pensiamo che SuperLimbs possa aiutarli a riprendersi in modo che possano essere più produttivi ed estendere le loro EVA."
Asada, Ballesteros e i loro colleghi presenteranno il loro progetto e studio questa settimana alla Conferenza internazionale IEEE sulla robotica e l'automazione (ICRA). Tra i loro coautori figurano il postdoc del MIT Sang-Yoep Lee e Kalind Carpenter del Jet Propulsion Laboratory.
Prendere posizione
Il progetto del team è l'ultima applicazione di SuperLimbs, che Asada ha sviluppato per la prima volta circa dieci anni fa e da allora ha adattato per una serie di applicazioni, tra cui l'assistenza ai lavoratori nella produzione di aeromobili, nella costruzione e nella costruzione navale.
Più recentemente, Asada e Ballesteros si sono chiesti se SuperLimbs potesse aiutare gli astronauti, in particolare perché la NASA prevede di rimandare gli astronauti sulla superficie della luna.
"Nelle comunicazioni con la NASA, abbiamo appreso che il problema della caduta sulla Luna rappresenta un rischio serio", afferma Asada. "Ci siamo resi conto che potevamo apportare alcune modifiche al nostro progetto per aiutare gli astronauti a riprendersi dalle cadute e a proseguire il loro lavoro."
Il team ha prima fatto un passo indietro, per studiare i modi in cui gli esseri umani si riprendono naturalmente da una caduta. Nel loro nuovo studio, hanno chiesto a diversi volontari sani di tentare di stare in piedi dopo essersi sdraiati su un fianco, davanti e dietro.
I ricercatori hanno poi osservato come i tentativi dei volontari di stare in piedi cambiassero quando i loro movimenti erano limitati, in modo simile al modo in cui i movimenti degli astronauti sono limitati dalla maggior parte delle loro tute spaziali. Il team ha costruito una tuta per imitare la rigidità delle tute spaziali tradizionali e ha fatto indossare la tuta ai volontari prima di tentare nuovamente di alzarsi da varie posizioni di caduta. La sequenza dei movimenti dei volontari era simile, anche se richiedeva uno sforzo molto maggiore rispetto ai loro tentativi senza ostacoli.
Il team ha mappato i movimenti di ciascun volontario mentre si alzava e ha scoperto che ciascuno di essi eseguiva una sequenza comune di movimenti, passando da una posa, o "punto di passaggio", a quella successiva, in un ordine prevedibile.
"Questi esperimenti ergonomici ci hanno aiutato a modellare in modo semplice il modo in cui un essere umano si alza in piedi", afferma Ballesteros. "Potremmo postulare che circa l'80% degli esseri umani si alza in piedi in modo simile. Quindi abbiamo progettato un controller attorno a quella traiettoria."
Una mano d'aiuto
Il team ha sviluppato un software per generare una traiettoria per un robot, seguendo una sequenza che aiuterebbe a sostenere un essere umano e a rimetterlo in piedi. Hanno applicato il controller a un braccio robotico pesante e fisso, che hanno attaccato a un grande zaino. I ricercatori hanno quindi attaccato lo zaino alla tuta ingombrante e hanno aiutato i volontari a rimettersi nella tuta. Hanno chiesto ai volontari di sdraiarsi nuovamente sulla schiena, sul davanti o sul fianco, quindi hanno tentato di alzarsi mentre il robot percepiva i movimenti della persona e si adattava per aiutarla ad alzarsi in piedi.
Nel complesso, i volontari sono riusciti a stare in piedi stabilmente con uno sforzo molto minore quando assistiti dal robot, rispetto a quando provavano a stare in piedi da soli indossando la tuta ingombrante.
"Sembra un po' come se una forza in più si muovesse con te", dice Ballesteros, che ha anche provato la tuta e l'assistenza al braccio. "Immagina di indossare uno zaino e qualcuno ne afferra la parte superiore e in un certo senso ti tira su. Col tempo, diventa quasi naturale."
Gli esperimenti hanno confermato che il sistema di controllo può dirigere con successo un robot per aiutare una persona a rialzarsi dopo una caduta. I ricercatori intendono accoppiare il sistema di controllo con la loro ultima versione di SuperLimbs, che comprende due bracci robotici multi-snodati che possono estendersi da uno zaino. Lo zaino conterrebbe anche la batteria e i motori del robot, insieme al sistema di ventilazione di un astronauta.
"Abbiamo progettato questi bracci robotici sulla base di una ricerca basata sull'intelligenza artificiale e di un'ottimizzazione del design, per cercare progetti di robot manipolatori classici con determinati vincoli ingegneristici", afferma Ballesteros. "Abbiamo filtrato molti progetti e cercato quello che consumava la minor quantità di energia per sollevare una persona. Questa versione di SuperLimbs è il prodotto di questo processo."
Durante l'estate, Ballesteros costruirà l'intero sistema SuperLimbs presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, dove prevede di semplificare la progettazione e ridurre al minimo il peso delle sue parti e dei motori utilizzando materiali avanzati e leggeri. Quindi spera di accoppiare gli arti con le tute degli astronauti e di testarli in simulatori a bassa gravità, con l'obiettivo di assistere un giorno gli astronauti nelle future missioni sulla Luna e su Marte.
"Indossare una tuta spaziale può essere un peso fisico", osserva Asada. "I sistemi robotici possono contribuire ad alleviare questo onere e aiutare gli astronauti a essere più produttivi durante le loro missioni."
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
