Se dovessi chiedere a qualcuno di nominare una nuova tecnologia emersa dal MIT nel 21° secolo, ci sono buone probabilità che chiameranno il ghepardo robotico. Sviluppato dal Laboratorio di Robotica Biomimetica del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT sotto la direzione del Professore Associato Sangbae Kim, il quadrupede MIT Cheetah ha fatto notizia per la sua andatura dinamica con le gambe, velocità, capacità di salto, e progettazione biomimetica.

Il Cheetah II dalle dimensioni di un cane può correre su quattro gambe articolate fino a 6,4 metri al secondo, fare lievi virate di corsa, e saltare ad un'altezza di 60 centimetri. Il robot può anche determinare autonomamente come evitare o saltare gli ostacoli.

Kim sta ora sviluppando un robot di terza generazione, il ghepardo III. Invece di migliorare la velocità e le capacità di salto del ghepardo, Kim sta convertendo il Cheetah in un robot commercialmente valido con miglioramenti come una maggiore capacità di carico utile, gamma di movimento più ampia, e un'abile funzione di presa. Il Cheetah III agirà inizialmente come un robot di ispezione spettrale in ambienti pericolosi come un impianto nucleare compromesso o una fabbrica chimica. Si evolverà quindi per soddisfare altre esigenze di risposta alle emergenze.

"Il Cheetah II era focalizzato sulla locomozione ad alta velocità e sul salto agile, ma non è stato progettato per svolgere altri compiti, " dice Kim. "Con il ghepardo III, abbiamo posto molti requisiti pratici sul design in modo che possa essere un giocatore a tutto tondo. Può eseguire movimenti ad alta velocità e azioni potenti, ma può anche essere molto preciso."

Anche il Laboratorio di Robotica Biomimetica sta ultimando un progetto più piccolo, versione ridotta del ghepardo, chiamato il mini ghepardo, progettato per la ricerca e l'istruzione nel campo della robotica. Altri progetti includono un robot umanoide teleoperato chiamato Hermes che fornisce feedback tattili agli operatori umani. C'è anche un'indagine in fase iniziale sull'applicazione della tecnologia degli attuatori simile a Cheetah per affrontare le sfide della mobilità tra i disabili e gli anziani.

Conquistare la mobilità sulla terra

"Con il progetto Cheetah, Inizialmente ero motivato dalla copia di animali terrestri, ma mi sono anche reso conto che c'era una lacuna nella mobilità a terra, " dice Kim. "Abbiamo conquistato il trasporto aereo e marittimo, ma non abbiamo conquistato la mobilità terrestre perché le nostre tecnologie si basano ancora su strade o binari asfaltati artificialmente. Nessuna delle nostre tecnologie di trasporto può viaggiare in modo affidabile su terreni naturali o anche su ambienti artificiali con scale e cordoli. I robot con gambe dinamiche possono aiutarci a conquistare la mobilità a terra".

Una sfida con i sistemi a gambe è che "hanno bisogno di attuatori a coppia elevata, " dice Kim. "Un'articolazione dell'anca umana può generare più coppia di un'auto sportiva, ma ottenere un'attuazione di coppia così elevata e condensata nei robot è una grande sfida."

I robot tendono a raggiungere una coppia elevata a scapito della velocità e della flessibilità, dice Kim. I robot di fabbrica utilizzano attuatori a coppia elevata, ma sono rigidi e non possono assorbire l'energia in caso di impatto derivante dall'arrampicata sui gradini. Ad azionamento idraulico, robot con gambe dinamiche, come il più grande, maggiore carico utile, Big Dog quadrupede della Boston Dynamics, può raggiungere una forza e una potenza molto elevate, ma a scapito dell'efficienza. "L'efficienza è un problema serio con l'idraulica, soprattutto quando ti muovi velocemente, " Aggiunge.

Uno degli obiettivi principali del progetto Cheetah è stato quello di creare attuatori in grado di generare una coppia elevata in progetti che imitano i muscoli degli animali e allo stesso tempo raggiungono l'efficienza. Per realizzare questo, Kim ha optato per attuatori elettrici anziché idraulici. "I nostri motori elettrici ad alta coppia hanno superato l'efficienza degli animali con muscoli biologici, e sono molto più efficienti, più economico, e più veloce dei robot idraulici, " lui dice.

Cheetah III:Più di un velocista

A differenza delle versioni precedenti, il design di Cheetah III è stato motivato più da potenziali applicazioni che da pura ricerca. Kim e il suo team hanno studiato i requisiti per un robot di risposta alle emergenze e hanno lavorato all'indietro.

"Riteniamo che il Cheetah III sarà in grado di navigare in una centrale elettrica con radiazioni in due o tre anni, " dice Kim. "In 5-10 anni dovrebbe essere in grado di fare più lavoro fisico come smontare una centrale elettrica tagliando pezzi e tirandoli fuori. Tra 15-20 anni, dovrebbe essere in grado di entrare in un incendio di un edificio e possibilmente salvare una vita."

In situazioni come il disastro nucleare di Fukushima, robot o droni sono l'unica scelta sicura per la ricognizione. I droni hanno alcuni vantaggi rispetto ai robot, ma non possono applicare grandi forze necessarie per compiti come aprire porte, e ci sono molte situazioni di disastro in cui i detriti caduti vietano il volo dei droni.

A confronto, il Cheetah III può applicare forze di livello umano all'ambiente per ore alla volta. Può spesso arrampicarsi o saltare su detriti, o addirittura spostarlo di mezzo. Rispetto a un drone, è anche più facile per un robot ispezionare da vicino la strumentazione, interruttori a scatto, e pulsanti, dice Kim. "Il Cheetah III può misurare temperature o composti chimici, o chiudere e aprire le valvole."

I vantaggi rispetto ai robot cingolati includono la capacità di manovrare su detriti e salire le scale. "Le scale sono alcuni dei maggiori ostacoli per i robot, " dice Kim. "Pensiamo che i robot con le gambe siano migliori in ambienti creati dall'uomo, soprattutto in situazioni di disastro dove ci sono ancora più ostacoli."

Il Cheetah III è stato leggermente rallentato rispetto al Cheetah II, ma anche dato maggiore forza e flessibilità. "Abbiamo aumentato la coppia in modo che possa aprire le pesanti porte che si trovano nelle centrali elettriche, " dice Kim. "Abbiamo aumentato la gamma di movimento a 12 gradi di libertà utilizzando 12 motori elettrici in grado di articolare il corpo e gli arti".

Questo è ancora molto lontano dalla flessibilità degli animali, che hanno oltre 600 muscoli. Ancora, il Cheetah III può compensare in qualche modo con altre tecniche. "Massimizziamo lo spazio di lavoro di ogni giunto per raggiungere una ragionevole quantità di raggiungibilità, "dice Kim.

Il design può persino utilizzare le gambe per la manipolazione. "Utilizzando la flessibilità degli arti, il ghepardo III può aprire la porta con una gamba sola, " dice Kim. "Può stare su tre gambe e dotare il quarto arto di una mano intercambiabile personalizzata per aprire la porta o chiudere una valvola".

Il Cheetah III ha una capacità di carico utile migliorata per trasportare sensori e fotocamere più pesanti, e forse anche per consegnare rifornimenti alle vittime disabili. Però, è molto lontano dall'essere in grado di salvarli. Il Cheetah III è ancora limitato a un carico utile di 20 chilogrammi, e può viaggiare senza vincoli per quattro o cinque ore con un carico utile minimo.

"Infine, speriamo di sviluppare una macchina in grado di salvare una persona, " dice Kim. "Non siamo sicuri se il robot avrebbe trasportato la vittima o portato un dispositivo di trasporto, " dice. "Il nostro progetto attuale può almeno vedere se ci sono vittime o se ci sono altri potenziali eventi pericolosi".

Sperimentare l'interazione uomo-robot

Il semiautonomo Cheetah III può prendere da solo decisioni di deambulazione e navigazione. Però, per lavori di emergenza, funzionerà principalmente tramite telecomando.

"Ispezione completamente autonoma, soprattutto nella risposta ai disastri, sarebbe molto difficile, " dice Kim. Tra le altre questioni, il processo decisionale autonomo spesso richiede tempo, e può comportare tentativi ed errori, che potrebbe ritardare la risposta.

"Le persone controlleranno il Cheetah III ad alto livello, offrendo assistenza, ma non curando ogni dettaglio, " dice Kim. "La gente potrebbe dirgli di andare in una posizione specifica sulla mappa, trova questo posto, e apri quella porta. Quando si tratta di azioni o manipolazioni manuali, l'umano assumerà un maggiore controllo e dirà al robot quale strumento usare."

Gli umani possono anche essere in grado di aiutare con controlli più istintivi. Per esempio, se il ghepardo usa una delle sue gambe come un braccio e poi applica la forza, è difficile mantenere l'equilibrio. Kim sta ora indagando se gli operatori umani possono utilizzare un "feedback bilanciato" per evitare che il ghepardo cada mentre applicano tutta la forza.

"Anche in piedi su due o tre gambe, sarebbe ancora in grado di eseguire azioni ad alta forza che richiedono equilibrature complesse, " dice Kim. "L'operatore umano può sentire l'equilibrio, e aiuta il robot a spostare il suo slancio per generare più forza per aprire o martellare una porta."

Il Biomimetic Robotics Lab sta esplorando il feedback bilanciato con un altro progetto di robot chiamato Hermes (Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System). Come il ghepardo III, è completamente articolato, robot con gambe dinamiche progettato per la risposta ai disastri. Ancora, l'Hermes è bipede, e completamente teleoperato da un umano che indossa un casco di telepresenza e una tuta integrale. Come l'Ermete, la tuta è attrezzata con sensori e dispositivi di feedback tattile.

"L'operatore può percepire la situazione di equilibrio e reagire utilizzando il peso corporeo o applicando direttamente più forze, "dice Kim.

La latenza richiesta per un feedback così intimo in tempo reale è difficile da ottenere con il Wi-Fi, anche quando non è bloccato da muri, distanza, o interferenze wireless. "Nella maggior parte delle situazioni di disastro, avresti bisogno di una sorta di comunicazione cablata, " dice Kim. "Alla fine, Credo che utilizzeremo fibre ottiche rinforzate".

Migliorare la mobilità per gli anziani

Guardando oltre la risposta ai disastri, Kim prevede un ruolo importante per agile, robot con gambe dinamiche nell'assistenza sanitaria:miglioramento della mobilità per la popolazione anziana in rapida crescita. Numerosi progetti di robotica si rivolgono al mercato degli anziani con robot sociali chiacchieroni. Kim sta immaginando qualcosa di più fondamentale.

"Ancora non disponiamo di una tecnologia che possa aiutare le persone disabili o anziane a passare senza problemi dal letto alla sedia a rotelle all'auto e viceversa, " dice Kim. "Molte persone anziane hanno problemi ad alzarsi dal letto ea salire le scale. Alcuni anziani con problemi alle articolazioni del ginocchio, Per esempio, sono ancora abbastanza mobili su un terreno pianeggiante, ma non può scendere le scale senza aiuto. È una frazione molto piccola della giornata in cui hanno bisogno di aiuto. Quindi stiamo cercando qualcosa che sia leggero e facile da usare per un aiuto a breve termine".

Kim sta attualmente lavorando alla "creazione di una tecnologia che possa rendere sicuro l'attuatore, " dice. "Gli attuatori elettrici che utilizziamo nella Cheetah sono già più sicuri di altre macchine perché possono assorbire facilmente energia. La maggior parte dei robot sono rigidi, che causerebbe molte forze d'impatto. Le nostre macchine danno un po'".

Combinando tale tecnologia di attuatori sicuri con parte della tecnologia Hermes, Kim spera di sviluppare un robot che possa aiutare le persone anziane in futuro. "I robot non solo possono affrontare la prevista carenza di manodopera per l'assistenza agli anziani, ma anche la necessità di mantenere la privacy e la dignità, " lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.