Harvard

May 04, 2023

A cura della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, 5 dicembre 2022

Primo piano dei filamenti della pinza che avvolgono un oggetto. Credito: Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS

Sai quanto sia difficile afferrare e trattenere oggetti con pinze robotiche se hai mai giocato al gioco degli artigli in una sala giochi. Immagina quanto sarebbe più snervante quel gioco se stessi tentando di afferrare un delicato pezzo di corallo in via di estinzione o un tesoro prezioso da una nave affondata invece di morbidi animali di peluche.

La maggior parte delle pinze robotiche odierne utilizza una combinazione di abilità dell'operatore e sensori integrati, intricati circuiti di feedback o algoritmi di apprendimento automatico all'avanguardia per afferrare oggetti fragili o di forma irregolare. Tuttavia, gli scienziati della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard hanno dimostrato che esiste un metodo più semplice.

Prendendo ispirazione dalla natura, gli scienziati hanno creato un nuovo tipo di pinza morbida e robotica che utilizza una rete di sottili tentacoli per impigliare e afferrare oggetti, in modo simile a come le meduse raccolgono la loro preda. I singoli filamenti, o tentacoli, non sono molto forti da soli. Tuttavia, se utilizzati in gruppo, i filamenti possono afferrare e trattenere saldamente oggetti di tutte le forme e dimensioni. La pinza non necessita di rilevamento, pianificazione o controllo del feedback; si basa sulla semplice inflazione per avvolgere gli oggetti.

Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

La pinza morbida afferra le succulente. Credito: Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS

"Con questa ricerca, volevamo reimmaginare il modo in cui interagiamo con gli oggetti", ha affermato Kaitlyn Becker, ex studentessa laureata e ricercatrice post-dottorato presso la SEAS e prima autrice dell'articolo. "Sfruttando la naturale cedevolezza della robotica morbida e potenziandola con una struttura cedevole, abbiamo progettato una pinza che è maggiore della somma delle sue parti e una strategia di presa in grado di adattarsi a una gamma di oggetti complessi con pianificazione e percezione minime ."

Becker è attualmente professore assistente di ingegneria meccanica al MIT.

La forza e l'adattabilità della pinza derivano dalla sua capacità di impigliarsi nell'oggetto che sta tentando di afferrare. I filamenti lunghi un piede sono tubi cavi di gomma. Un lato del tubo ha una gomma più spessa dell'altro, quindi quando il tubo è pressurizzato, si arriccia come un codino o come i capelli stirati in una giornata piovosa.

Un video che mostra il robot. Crediti: Scuola di ingegneria e scienze applicate di Harvard John A. Paulson

I riccioli si annodano e si intrecciano tra loro e con l'oggetto, e ogni intreccio aumenta la forza della presa. Sebbene la presa collettiva sia forte, ogni contatto è individualmente debole e non danneggerà nemmeno l'oggetto più fragile. Per rilasciare l'oggetto, i filamenti vengono semplicemente depressurizzati.

I ricercatori hanno utilizzato simulazioni ed esperimenti per testare l'efficacia della pinza, raccogliendo una serie di oggetti, tra cui varie piante d'appartamento e giocattoli. La pinza potrebbe essere utilizzata in applicazioni reali per afferrare frutta e verdura morbida per la produzione e la distribuzione agricola, tessuti delicati in ambienti medici e persino oggetti di forma irregolare nei magazzini, come la vetreria.

Questo nuovo approccio alla presa combina la ricerca del professor L. Mahadevan sulla meccanica topologica dei filamenti aggrovigliati con la ricerca del professor Robert Wood sulle pinze robotiche morbide.

"L'entanglement consente a ciascun filamento altamente cedevole di conformarsi localmente con un oggetto bersaglio, portando a una presa topologica sicura ma delicata che è relativamente indipendente dai dettagli della natura del contatto", ha affermato Mahadevan, professoressa di matematica applicata a Lola England de Valpine. SEAS, e di Biologia Organismica ed Evoluzionistica e Fisica in FAS e co-autore corrispondente dell'articolo.

"Questo nuovo approccio alla presa robotica integra le soluzioni esistenti sostituendo le pinze tradizionali e semplici che richiedono strategie di controllo complesse con filamenti estremamente flessibili e morfologicamente complessi che possono funzionare con un controllo molto semplice", ha affermato Wood, professore di ingegneria di Harry Lewis e Marlyn McGrath. e scienze applicate e co-autore corrispondente dell'articolo. "Questo approccio amplia la gamma di ciò che è possibile prelevare con le pinze robotiche."