Alla fine dell'estate, proprio mentre le foglie cominciavano a diventare croccanti e arricciate per il caldo, Devin Carroll uscì dal suo appartamento, guardò per terra e raccolse un paio di bastoncini che pensava potessero funzionare per il suo robot. Spesso circa mezzo pollice e lungo come una mano adulta, ha spogliato i tre bastoncini della loro corteccia e li ha legati con uno spago a StickBot, un robot modulare composto da circuiti, attuatori, un microcontrollore e un driver del motore.

Alimentate da quattro batterie AA, collegate da un labirinto di cavi e luci lampeggianti, le braccia di legno di StickBot ora sbattono su e giù, alimentando il robot attraverso il tavolo del laboratorio GRASP (General Robotics, Automation, Sensing &Perception) di Penn, dove Carroll è un dottorato di ricerca candidato alla Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate.

Controllando il robot utilizzando un'app da lui progettata, Carroll mostra come StickBot può ruotare dall'usare le levette come gambe in "modalità crawler" all'usarle come braccia. In "modalità presa", le levette sono attaccate a una piastra del controller su un lato per formare un giunto a cerniera mentre si muovono con l'estremità libera per tenere una tazza in posizione verticale.

Piuttosto che un'invenzione statica e singolare, StickBot è un'idea, un sistema flessibile che può essere riconfigurato in vari modi. Un robot modulare, i componenti di StickBot possono essere aggiunti, regolati e scartati secondo necessità.

Mark Yim, il consulente di Carroll, lavora in Penn da 17 anni ed è l'attuale direttore del GRASP Lab. L'elevata versatilità dei robot modulari presenta un grande potenziale per l'evoluzione della tecnologia, afferma Yim. Un'iterazione di questo è l'autoconfigurazione dei robot. "Le persone sono davvero brave ad adattarsi a diversi ambienti:quando fa freddo, ti metti un cappotto. E anche i robot possono farlo. Ma se i robot potessero anche cambiare forma, fare cose diverse ... ti dà più possibilità".

Oltre a un robot fatto di bastoncini, Carroll ha costruito anche un robot fatto di ghiaccio. Con un corpo rettangolare e due grandi ruote, il robot sembra un incrocio tra un monster truck e un carrello Cushman. Si chiama, ovviamente, IceBot.

IceBot ha ottenuto una voce nel 2020 nel Guinness dei primati come il primo robot realizzato interamente con il ghiaccio (salvo il driver del motore e gli attuatori, che Carroll ha incorporato nei fori scavati). Carroll spera che questa tecnologia venga utilizzata un giorno per svolgere missioni in Antartide o su una luna ghiacciata, possibilmente come robot autoconfigurante. Per ora, è un modo per perfezionare le sue idee sui robot modulari.

"La lezione appresa da IceBot", dice Carroll, "è:non aver paura di provare una cosa pazza. Potrebbe semplicemente funzionare."

Oggetti trovati, riutilizzo dei materiali

Con StickBot, Carroll ha continuato la sua sperimentazione creativa. Questa volta si è concentrato sul mantenere bassi i costi e sulla creazione di un sistema semplice in grado di eseguire una serie di attività.

"StickBot è un sistema robotico che ha lo scopo di fornire agli utenti una grande quantità di flessibilità a un costo estremamente basso e lo facciamo sfruttando la modularità dei materiali trovati", afferma Carroll. "Abbiamo un mucchio di rami d'albero o bastoncini e siamo in grado di assemblarli in strutture a traliccio in diverse configurazioni. In tal modo, possiamo ottenere cose come un robot cingolato o un robot a pinza o davvero, qualsiasi cosa tu possa immaginare. Dietro StickBot è la capacità di riconfigurare le cose e di renderle estremamente convenienti."

Carroll stima che il costo di costruzione totale di StickBot sia inferiore a cento dollari per un modello semplice, sebbene i sistemi più grandi possano costare di più. Mentre alcuni componenti (come gli attuatori e il driver del motore) sono parte integrante della funzione del robot, altri possono essere sostituiti a seconda dell'attività svolta e dei materiali a portata di mano. (Carroll sta esplorando l'uso della colla a caldo e del nastro adesivo al posto dello spago.) Il robot dovrebbe poter essere costruito con cose che le persone potrebbero avere a portata di mano, dice.

L'etica di ridurre, riutilizzare e riciclare è stata con Carroll sin da quando era giovane. Carroll è cresciuto in una fattoria nel Massachusetts rurale. Era un membro di 4-H; allevava pecore. "Tutto ciò che abbiamo fatto doveva essere rinnovabile", afferma Carroll. "Costruendo cose come fienili o capannoni, cercheremmo di riutilizzare quanto più materiale possibile."

Successivamente, Carroll andò all'Università del Massachusetts Amherst per ingegneria meccanica e fece un programma estivo di Research Experience for Undergraduates (REU) ad Harvard, dove costruì il suo primo robot. "Ero al secondo anno alla scuola di ingegneria, non avevo idea di cosa volevo fare", dice Carroll. "Ho lavorato quell'inverno alla foresta di Harvard, facendo solo la manutenzione per loro. Un ricercatore si è avvicinato e mi ha detto:"Sei un ingegnere meccanico, vero?" Puoi costruire questo robot per me?"

Carroll ha costruito il robot, "essenzialmente una scatola con una serie di sensori", dice, e ha progettato una pista del tram nella chioma degli alberi, alta tre impalcature. Alimentato da una batteria a carica solare, il robot è stato progettato per attraversare un'area per aiutare gli ecologisti a determinare la velocità con cui la foresta sarebbe ricresciuta dopo un taglio netto.

È stata un'esperienza influente per un giovane ingegnere. "Ero lì, circondato dall'ecologia e dagli alberi e da tutti quei ricercatori e scienziati. Le persone lì erano molto concentrate su come possiamo influenzare il mondo intorno a noi in modo positivo e creare una risorsa rinnovabile, quindi non stiamo solo consumando qualcosa , stiamo effettivamente restituendo."

Conveniente e accessibile

Una possibile applicazione per un robot in stile StickBot sono le impostazioni riabilitative nell'assistenza sanitaria globale, sia come protesi che in terapia. Le procedure mediche di fascia alta vanno tutte bene, dice Carroll, ma sono convenienti in ogni contesto? E una volta che quel dispositivo high-tech si rompe, quanto facilmente può essere riparato?

"Se potessimo implementare il sistema robotico come StickBot in uno scenario come quello, improvvisamente potremmo avere un impatto nella vita di molte più persone", afferma Carroll. Poiché StickBot è un robot modulare relativamente semplice, i suoi componenti possono essere riparati e sostituiti più facilmente.

"Fornendo alle persone la possibilità di utilizzare i materiali che li circondano, facciamo due cose", afferma Carroll. "Uno, riduciamo il costo dei materiali, che sono contrassegnati. Secondo, possiamo ridurre la complessità senza ridurre la funzione operativa."

È sicuramente un'idea opportuna per la salute globale, afferma Michelle J. Johnson, professore associato di medicina fisica e riabilitazione alla Perelman School of Medicine di Penn. Johnson, che è direttore del laboratorio di robotica di riabilitazione (A GRASP Lab), fa ricerca anche in Botswana. "Uno dei grandi problemi è l'accessibilità economica", afferma. È necessario supportare i medici in contesti con risorse inferiori, ma come possiamo farlo?"

Il concetto di robot economici che sfruttano materiale locale e abbondante è convincente, afferma Johnson, perché quando è necessario importare materiali ed elettronica, i costi possono aumentare rapidamente.

Un robot modulare può anche essere personalizzabile e le cliniche sanitarie potrebbero investire nel tempo nella funzionalità del robot. "Forse oggi puoi permetterti un solo modulo, e poi domani puoi permetterti il ​​secondo, e ora hai un sistema che puoi utilizzare in più modi", afferma Johnson. "Puoi costruire mentre vai."

Il sistema StickBot ha il potenziale per essere utilizzato come robot sociale, terapeutico, protesico o assistivo, afferma Johnson. In Botswana, alcuni dei pazienti di Johnson hanno l'HIV, che può scatenare ictus. Un robot terapeutico come StickBot potrebbe essere utilizzato per supportare un'esigenza funzionale immediata o aiutare i pazienti a eseguire un esercizio di terapia fisica, afferma.

L'applicazione funzionale delle idee è importante per Carroll. Vuole che tutti abbiano accesso a un design interessante che ha il potenziale per migliorare la vita.

"Hai visto "Big Hero 6'?" chiede Carroll. Pensa che il film Disney dovrebbe essere obbligatorio per la visione, almeno per chi è interessato alla robotica. In esso, l'eroe partecipa a una presentazione di ingegneria per studenti e mostra la sua invenzione, qualcosa sembra una minuscola limatura di ferro, più piccola di un mignolo. Il pubblico non è impressionato. Quindi, l'eroe mostra cosa possono fare migliaia di questi piccoli idioti. I robot modulari si collegano e si rompono di nuovo, costruendo senza sforzo impalcature e creando un tappeto mobile capovolto. Le possibilità sono limitate solo dall'immaginazione dell'eroe.

"Avere la flessibilità di fare più cose significa che puoi aiutare più persone", afferma Carroll. "E se riesci a renderlo economico, è ancora meglio." + Esplora ulteriormente

Un robot fatto di ghiaccio potrebbe adattarsi e ripararsi su altri mondi