La domanda potrebbe essere la versione del 21° secolo della favola della tartaruga e della lepre:chi vincerebbe in una corsa podistica tra un robot e un animale?
In un nuovo articolo di prospettiva, un team di ingegneri degli Stati Uniti e del Canada, tra cui Kaushik Jayaram, esperto di robotica dell'Università del Colorado a Boulder, ha cercato di rispondere a questo enigma. Il gruppo ha analizzato i dati di dozzine di studi ed è giunto ad un sonoro "no". In quasi tutti i casi, gli organismi biologici, come i ghepardi, gli scarafaggi e persino gli esseri umani, sembrano essere in grado di superare in velocità le loro controparti robot.
I ricercatori, guidati da Samuel Burden dell'Università di Washington e Maxwell Donelan della Simon Fraser University, hanno pubblicato i loro risultati la scorsa settimana sulla rivista Science Robotics .
"Come ingegnere, è un po' sconvolgente", ha detto Jayaram, un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica Paul M. Rady della CU Boulder. "In oltre 200 anni di intensa ingegneria, siamo stati in grado di inviare veicoli spaziali sulla Luna e su Marte e molto altro ancora. Ma è sconcertante il fatto che non disponiamo ancora di robot che siano significativamente migliori dei sistemi biologici nella locomozione in ambienti naturali."
Spera che lo studio ispiri gli ingegneri a imparare come costruire robot più adattabili e agili. I ricercatori hanno concluso che l’incapacità dei robot di superare gli animali non è dovuta a carenze in qualche singolo macchinario, come batterie o attuatori. Invece, il punto in cui gli ingegneri potrebbero vacillare è far sì che queste parti funzionino insieme in modo efficiente.
Questa ricerca è una delle principali passioni di Jayaram. Il suo laboratorio nel campus della CU Boulder ospita moltissimi esseri striscianti, tra cui diversi ragni lupo pelosi che misurano circa mezzo dollaro.
"I ragni lupo sono cacciatori naturali", ha detto Jayaram. "Vivono sotto le rocce e possono correre su terreni complessi con una velocità incredibile per catturare la preda."
Immagina un mondo in cui gli ingegneri costruiscono robot che funzionano un po' più come questi straordinari aracnidi.
"Gli animali sono, in un certo senso, l'incarnazione di questo principio di progettazione fondamentale:un sistema che funziona davvero bene insieme", ha affermato.
Energia dello scarafaggio
La domanda "chi corre meglio, gli animali o i robot?" è complicato perché l'esecuzione stessa è complicata.
In una ricerca precedente, Jayaram e i suoi colleghi dell’Università di Harvard hanno progettato una linea di robot che cercano di imitare il comportamento dello scarafaggio, spesso insultato. Il modello HAMR-Jr della squadra si adatta a una monetina e scatta a velocità equivalenti a quelle di un ghepardo. Ma, ha osservato Jayaram, mentre HAMR-Jr può eseguire movimenti avanti e indietro, non si muove altrettanto bene lateralmente o su terreni accidentati. Gli umili scarafaggi, al contrario, non hanno problemi a correre su superfici che vanno dalla porcellana allo sporco e alla ghiaia. Possono anche sfondare i muri e infilarsi nelle piccole fessure.
Per capire perché tale versatilità rimane una sfida per i robot, gli autori del nuovo studio hanno suddiviso queste macchine in cinque sottosistemi tra cui potenza, telaio, attuazione, rilevamento e controllo. Con sorpresa del gruppo, pochi di questi sottosistemi sembravano non essere all'altezza dei loro equivalenti negli animali.
Le batterie agli ioni di litio di alta qualità, ad esempio, possono fornire fino a 10 kilowatt di potenza per ogni chilogrammo (2,2 libbre) di peso. Il tessuto animale, al contrario, ne produce circa un decimo. I muscoli, nel frattempo, non riescono ad eguagliare la coppia assoluta di molti motori.
"Ma a livello di sistema, i robot non sono altrettanto validi", ha detto Jayaram. "Ci imbattiamo in compromessi intrinseci nella progettazione. Se proviamo a ottimizzare una cosa, come la velocità di avanzamento, potremmo perdere qualcos'altro, come la capacità di svolta."
Quindi, come possono gli ingegneri costruire robot che, come gli animali, siano più della semplice somma delle loro parti?
Gli animali, ha osservato Jayaram, non sono suddivisi in sottosistemi separati allo stesso modo dei robot. I tuoi quadricipiti, ad esempio, spingono le tue gambe come gli attuatori di HAMR-Jr muovono i loro arti. Ma i quadricipiti producono anche la propria energia scomponendo grassi e zuccheri e incorporando neuroni in grado di percepire dolore e pressione.
Jayaram ritiene che il futuro della robotica potrebbe ridursi a "sottounità funzionali" che fanno la stessa cosa:invece di mantenere le fonti di energia separate dai motori e dai circuiti stampati, perché non integrarle tutte in un'unica parte? In un articolo del 2015, lo scienziato informatico della CU Boulder Nikolaus Correll, che non era coinvolto nello studio attuale, ha proposto tali "materiali robotici" teorici che funzionano più come i quadricipiti.
Gli ingegneri sono ancora molto lontani dal raggiungere questo obiettivo. Alcuni, come Jayaram, stanno facendo passi in questa direzione, ad esempio attraverso il robot CLARI (Compliant Legged Articulated Robotic Insect) del suo laboratorio, un robot con più gambe che si muove un po' come un ragno. Jayaram ha spiegato che CLARI si basa su un design modulare, in cui ciascuna delle sue gambe agisce come un robot autonomo con il proprio motore, sensori e circuiti di controllo. La versione nuova e migliorata del team, chiamata mCLARI, può muoversi in tutte le direzioni in spazi ristretti, una novità assoluta per i robot a quattro zampe.
È un'altra cosa che ingegneri come Jayaram possono imparare da quei perfetti cacciatori, i ragni lupo.
"La natura è un'insegnante davvero utile."
Ulteriori informazioni: Samuel A. Burden et al, Perché gli animali possono correre più veloce dei robot, Scienza robotica (2024). DOI:10.1126/scirobotics.adi9754
Informazioni sul giornale: Robotica scientifica
Fornito dall'Università del Colorado a Boulder
