Dallo studio degli elefanti un nuovo paradigma per i robot manipolatori del futuro. L’Istituto di BioRobotica della Scuola Sant'Anna tra i partner del progetto PROBOSCIS coordinato da IIT

Al via il progetto europeo PROBOSCIS, per lo sviluppo di un robot manipolatore bioispirato in grado di muoversi e di adattarsi a contesti diversi. Il progetto finanziato dalla Commissione Europea e coordinato dall’Istituto Italiano di Tecnologia, coinvolge anche l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna e in particolare, il gruppo di ricerca coordinato da Cecilia Laschi ed Egidio Falotico.
Il progetto parte dall’osservazione e dall’analisi di come gli elefanti interagiscono con il mondo circostante attraverso la loro proboscide, un organo dotato di eccezionale agilità e versatilità che permette loro di compiere svariate azioni, come afferrare oggetti dalla forma e dalla consistenza diverse, respirare, mangiare, bere, comunicare con gli altri esemplari della loro specie attraverso suoni. La proboscide è un organo altamente sensibile e combina il senso del tatto con la forza di più di centomila muscoli, senza ossa. Partendo dallo studio di queste caratteristiche, il progetto PROBOSCIS svilupperà una nuova generazione di robot manipolatori bioispirati, con sensori e attuatori innovativi in materiali soffici, che in futuro potranno essere adoperati nel campo dell’industria manifatturiera ed alimentare, o per lo sviluppo di sistemi robotici di assistenza alle persone anziane e disabili.

Il progetto PROBOSCIS è stato finanziato con un investimento di circa 3.5 milioni di euro, all’interno del programma di finanziamento Horizon 2020 FET-Future Emerging Technologies. Il progetto sarà coordinato da Lucia Beccai, senior researcher dell’Istituto Italiano di Tecnologia e coinvolge, oltre all’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, l’Università di Ginevra (Svizzera), l’Università di Gerusalemme (Israele), e l’azienda Photocentric Ltd. di Peterborough (Regno Unito).
Il consorzio del progetto fornirà competenze multidisciplinari con l'obiettivo di definire un concetto nuovo e universale di manipolazione robotica universale, in cui le capacità di carico e di movimento di un sistema robotico saranno unite a capacità di adattabilità ambientale e sensibilità tattile: dalla manipolazione fine degli oggetti delicati, alla presa di oggetti pesanti, singoli o multipli, di diversa forma, rigidezza e dimensione, agendo sia in aria che in acqua.
Da un punto di vista biologico il progetto studierà l’anatomia della proboscide di una specie particolare di elefante, l’elefante africano di savana (Loxodonta africana), di cui un esemplare è conservato all’Università di Ginevra. La proboscide sarà studiata con tecniche innovative di microscopia episcopica ad alta risoluzione e la sua struttura sarà ricostruita per la prima volta nei dettagli attraverso strumenti di visualizzazione 3D. Inoltre, gli elefanti saranno osservati nel loro habitat naturale attraverso la collaborazione con vari centri di ricerca in Sud Africa.

Questi studi rappresentano un nuovo approccio nel campo della robotica bioispirata. Per esempio, una delle peculiarità della proboscide dell’elefante africano di savana è che la sua struttura termina in due estremità o “dita” usate per manipolare oggetti piccoli e delicati con grande precisione. I ricercatori osserveranno tali movimenti durante la manipolazione di oggetti predefiniti per forma, peso e dimensione, così da estrarre parametri ingegneristici utili a realizzare il sistema artificiale.
Il nuovo manipolatore robotico avrà un corpo formato da attuatori soft con rigidità variabili, sensibili ai movimenti e organizzati in un’architettura bioispirata, e da un sistema sensoriale tattile avanzato capace di fornire le informazioni necessarie agli algoritmi di controllo. Il rilevamento tattile soft sarà fondamentale per consentire l'intelligenza complessiva del sistema. In particolare, la proboscide artificiale sarà ricoperta da una pelle artificiale avente una struttura meccanica ispirata alla pelle rugosa dell’elefante, sensibile e resistente ad ambienti ostili, quali alte temperature e polvere.  L’estremità sarà densamente sensorizzata per garantire un’interazione fine con oggetti piccoli e delicati.
I sensori tattili soft saranno una componente fondamentale del sistema. Infatti, al contrario di molti robot basati sulla visione per il controllo e l’interazione con l’ambiente, la tecnologia di PROBOSCIS sarà guidata principalmente dal tatto.

L’attività di ricerca si basa su una forte sinergia e collaborazione tra ingegneri, biologi e scienziati dei materiali. IIT è coinvolto con due gruppi, il team 'Artificial Touch in Soft Biorobotics' coordinato da Lucia Beccai, e il team 'Bioinspired Soft Robotics' coordinato da Barbara Mazzolai, direttrice del Centro di Micro-Biorobotica dell’IIT). I ricercatori, oltre a mettere a punto ed eseguire protocolli sperimentali specifici con gli animali in Africa, si occuperanno del design bioispirato e dello sviluppo del sistema robotico. In Italia è coinvolto anche l’Istituto di Biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna con il gruppo di Cecilia Laschi ed Egidio Falotico, il quale svilupperà gli algoritmi di controllo del complesso sistema robotico.
Il team coordinato da Michel Milinkovitch dell’Università di Ginevra studierà l’anatomia della proboscide e definirà i metodi per la registrazione del movimento della proboscide nel suo habitat naturale. Dall’analisi risultante, in collaborazione con la Scuola Superiore Sant’Anna e l’IIT, verrà sviluppato un modello cinematico artificiale.
All’Università di Gerusalemme il team coordinato da Shlomo Magdassi si focalizzerà sullo sviluppo di materiali utili ad integrare le capacità di attuazione e sensorizzazione del robot in strutture composite tridimensionali, tali da poter essere fabbricate con metodi di stampa 3D. La collaborazione con il gruppo di Sara Karmel dell’azienda Photocentric Ltd. sarà significativa per innovare le metodologie di stampa commerciali, utilizzando i nuovi materiali in prototipi di varie dimensioni.

In futuro, le applicazioni del robot PROBOSCIS potranno essere numerose: in ambito manifatturiero come manipolatori di nuova generazione capaci di adattarsi ad oggetti di diversa forma e dimensione in tempo reale, grazie all’intelligenza del feedback tattile; nell’industria alimentare per afferrare e scegliere frutta o verdura; nell’assistenza sanitaria per persone anziane o disabili, come braccia capaci di sollevare una persona, ma al contempo di porgerle una posata o un frutto fresco. Tali ricerche, infine, permetteranno di contribuire alla conoscenza scientifica dell’elefante e alla conservazione della sua specie.

 

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