Bug resiliente

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I bombi sono goffi volatori. Si stima che un'ape bottinatrice si imbatta in un fiore circa una volta al secondo, danneggiandone le ali nel tempo. Eppure, nonostante abbiano molti piccoli squarci o buchi nelle ali, i bombi possono ancora volare.

I robot aerei, d’altro canto, non sono così resilienti. Fai dei buchi nei motori delle ali del robot o taglia parte della sua elica, e le probabilità sono piuttosto buone che venga messo a terra.

Ispirati dalla robustezza dei bombi, i ricercatori del MIT hanno sviluppato tecniche di riparazione che consentono a un robot aereo delle dimensioni di un insetto di sostenere gravi danni agli attuatori, o muscoli artificiali, che alimentano le sue ali, ma di volare comunque in modo efficace.

Hanno ottimizzato questi muscoli artificiali in modo che il robot possa isolare meglio i difetti e superare i danni minori, come piccoli fori nell’attuatore. Inoltre, hanno dimostrato un nuovo metodo di riparazione laser che può aiutare il robot a riprendersi da gravi danni, come un incendio che brucia il dispositivo.

Utilizzando le loro tecniche, un robot danneggiato potrebbe mantenere le prestazioni a livello di volo dopo che uno dei suoi muscoli artificiali è stato colpito da 10 aghi e l'attuatore era ancora in grado di funzionare dopo che un grosso foro è stato bruciato al suo interno. I loro metodi di riparazione hanno consentito a un robot di continuare a volare anche dopo che i ricercatori hanno tagliato il 20% della punta dell’ala.

Ciò potrebbe rendere sciami di minuscoli robot più capaci di svolgere compiti in ambienti difficili, come condurre una missione di ricerca attraverso un edificio che crolla o una fitta foresta.

"Abbiamo dedicato molto tempo alla comprensione delle dinamiche dei muscoli morbidi e artificiali e, attraverso un nuovo metodo di fabbricazione e una nuova comprensione, possiamo mostrare un livello di resilienza ai danni paragonabile a quello degli insetti", afferma Kevin Chen, il D Reid Weedon, Jr. Professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS), capo del Laboratorio di Soft e Micro Robotica presso il Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE), e autore senior dell'articolo su questi ultimi avanzamenti. “Siamo molto entusiasti di questo. Ma gli insetti sono comunque superiori a noi, nel senso che possono perdere fino al 40 per cento delle ali e continuare a volare. Abbiamo ancora del lavoro da recuperare”.

Chen ha scritto l'articolo con gli autori principali Suhan Kim e Yi-Hsuan Hsiao, che sono studenti laureati EECS; Younghoon Lee, un postdoc; Weikun “Spencer” Zhu, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica; Zhijian Ren, uno studente laureato EECS; e Farnaz Niroui, professore assistente per lo sviluppo della carriera EE Landsman dell'EECS al MIT e membro della RLE. L'articolo appare oggi su Science Robotics.

Tecniche di riparazione dei robot

I minuscoli robot rettangolari in fase di sviluppo nel laboratorio di Chen hanno all'incirca le stesse dimensioni e forma di un nastro a microcassetta, anche se un robot pesa poco più di una graffetta. Le ali su ciascun angolo sono alimentate da attuatori in elastomero dielettrico (DEA), che sono muscoli artificiali morbidi che utilizzano forze meccaniche per sbattere rapidamente le ali. Questi muscoli artificiali sono costituiti da strati di elastomero inseriti tra due elettrodi sottilissimi e poi arrotolati in un tubo morbido. Quando viene applicata tensione al DEA, gli elettrodi comprimono l'elastomero, che fa sbattere l'ala.

Ma le imperfezioni microscopiche possono causare scintille che bruciano l'elastomero e causano il guasto del dispositivo. Circa 15 anni fa, i ricercatori hanno scoperto che potevano prevenire i fallimenti della DEA a causa di un piccolo difetto utilizzando un fenomeno fisico noto come self-clearing. In questo processo, l’applicazione di alta tensione al DEA disconnette l’elettrodo locale attorno a un piccolo difetto, isolando quel guasto dal resto dell’elettrodo in modo che il muscolo artificiale continui a funzionare.