Soft Robotics è il sottocampo specifico della robotica che si occupa della costruzione di robot da materiali altamente conformi, simili a quelli che si trovano negli organismi viventi.

La robotica morbida attinge pesantemente dal modo in cui gli organismi viventi si muovono e si adattano a ciò che li circonda. Contrariamente ai robot costruiti con materiali rigidi, i robot morbidi consentono una maggiore flessibilità e adattabilità per l’esecuzione delle attività, nonché una maggiore sicurezza quando si lavora intorno agli esseri umani. Queste caratteristiche consentono il suo potenziale utilizzo nei campi della medicina e della produzione.

Tipi e disegni
La maggior parte del campo della robotica morbida si basa sulla progettazione e sulla costruzione di robot realizzati completamente con materiali conformi, con il risultato finale simile a invertebrati come vermi e polpi. La mozione di questi robot è difficile da modellare, poiché la meccanica del continuo si applica a loro, e a volte vengono definiti robot continui. Soft Robotics è il sottosettore specifico della robotica che si occupa della costruzione di robot da materiali altamente conformi, simili a quelli che si trovano negli organismi viventi. Allo stesso modo, la robotica morbida attinge anche fortemente dal modo in cui questi organismi viventi si muovono e si adattano a ciò che li circonda. Ciò consente agli scienziati di utilizzare robot morbidi per comprendere i fenomeni biologici utilizzando esperimenti che non possono essere facilmente eseguiti sulle controparti biologiche originali. Contrariamente ai robot costruiti con materiali rigidi, i robot morbidi consentono una maggiore flessibilità e adattabilità per l’esecuzione delle attività, nonché una maggiore sicurezza quando si lavora intorno agli esseri umani. Queste caratteristiche consentono il suo potenziale utilizzo nei campi della medicina e della produzione. Tuttavia, esistono robot rigidi che sono anche in grado di deformazioni continue, in particolare il robot a braccio di serpente.

Inoltre, alcuni meccanismi robotici morbidi possono essere usati come pezzi in un robot più grande e potenzialmente rigido. Esistono effettivi effetti robotici morbidi per afferrare e manipolare oggetti, e hanno il vantaggio di produrre una forza bassa che è buona per tenere oggetti delicati senza romperli.

Inoltre, i robot ibridi soft-rigidi possono essere costruiti utilizzando una struttura rigida interna con esterni morbidi per la sicurezza. L’esterno morbido può essere multifunzionale, in quanto può fungere sia da attuatori per il robot, simili ai muscoli nei vertebrati, sia da imbottitura in caso di collisione con una persona.

biomimicry
Le cellule vegetali possono intrinsecamente produrre pressione idrostatica a causa di un gradiente di concentrazione del soluto tra il citoplasma e l’ambiente esterno (potenziale osmotico). Inoltre, le piante possono regolare questa concentrazione attraverso il movimento di ioni attraverso la membrana cellulare. Questo cambia quindi la forma e il volume della pianta in risposta a questo cambiamento nella pressione idrostatica. Questa evoluzione della forma derivata dalla pressione è auspicabile per la robotica morbida e può essere emulata per creare materiali adattativi di pressione attraverso l’uso del flusso di fluido. La seguente equazione modella la velocità di variazione del volume della cella:

è la velocità di cambio di volume.
è la membrana cellulare.
è la conduttività idraulica del Materiale.
è il cambiamento nella pressione idrostatica.
è il cambiamento nel potenziale osmotico.

Questo principio è stato sfruttato nella creazione di sistemi di pressione per robotica morbida. Questi sistemi sono composti da resine morbide e contengono più sacche di fluido con membrane semi-permeabili. La semi-permeabilità consente il trasporto di fluidi che quindi porta alla generazione di pressione. Questa combinazione di trasporto di fluidi e generazione di pressione porta quindi alla forma e al cambiamento di volume.

Un altro meccanismo di cambio di forma biologicamente intrinseco è quello del cambio di forma igroscopico. In questo meccanismo, le cellule vegetali reagiscono ai cambiamenti di umidità. Quando l’atmosfera circostante ha un’alta umidità, le cellule vegetali si gonfiano, ma quando l’atmosfera circostante ha una bassa umidità, le cellule vegetali si restringono. Questo cambiamento di volume è stato osservato nei grani di polline e nelle squame di pino.

Sfide scientifiche
Secondo il gruppo IEEE.org, queste sfide sono interdisciplinari e alcune ancora sono considerate prospettiche; riguardano in particolare:

i contributi della biomimetica Una grande parte degli esseri viventi è costituita da esseri morbidi, e gli organi interni sono quasi sempre così.
metodi e strumenti (software) per la modellazione e la simulazione di “organi robotici morbidi” (eventualmente “monoblocco” complesso e stampato in 3D); Molti robot hanno una forma che ricorda gli invertebrati, ma la robotica morbida può anche contribuire alla creazione di robot umanoidi complessi.
studi di materiali flessibili non convenzionali (ancora in fase esplorativa);
l’inventario gerarchico di materiali flessibili disponibili e utili o desiderabili per tutte o parte delle applicazioni robotiche (convenzionali e future);
i migliori strumenti e metodi di produzione e / o assemblaggio di questo tipo di robot;
l’integrazione di sensori che dovrebbero evolvere verso sensori “flessibili ed estensibili” 7 (anche per una possibile pelle fotovoltaica) in una struttura più o meno elastica e deformabile;
un’attuazione modificata per essere adattata al robot morbido, possibilmente “modulare” e / o che potenzia i sistemi di “adattamenti passivi” (risparmio energetico);
auto-organizzazione interna e capacità di controllo distribuito
sistemi di controllo completamente rivisti (cobotics);
la prototipazione, test (compreso l’invecchiamento);
rafforzamento e una migliore condivisione delle conoscenze e del know-how tecnologico nella robotica flessibile;
opportunità di “auto-correzione”, in relazione ai problemi di resilienza;
l’autoreplicazione;
applicazioni per una “robotica morbida”.

Specificità robotiche
Un robot flessibile interagisce in modo diverso con il suo ambiente, poiché può generare o subire deformazioni elastiche più o meno vincolate dalla sua morfologia, dalle sue dimensioni, dal grado di elasticità e dalla coerenza della sua struttura.

Spesso è – ma non necessariamente – biomimetico (o bio-ispirato) e sempre caratterizzato dall’uso di materiali specifici.

I suoi attuatori sono in parte diversi o adattati.

Hanno svantaggi e vantaggi rispetto ai robot rigidi.

svantaggi
Il campo della robotica morbida sta ancora emergendo. Si è dimostrato solo da alcuni prototipi. Non ci sono o pochi pezzi di ricambio o robot morbidi commercializzati, e R & amp; I finanziamenti D sono ancora orientati preferenzialmente verso la robotica classica;

il comportamento dei materiali morbidi (e delle strutture flessibili soprattutto quando sono complessi) è molto più difficile da modellare rispetto ai materiali duri, e quindi più difficile da controllare e da utilizzare;
Alcuni dei materiali morbidi che li costituiscono sono vulnerabili a certe aggressioni esterne (sebbene in alcuni casi il carattere “morbido” permetta anche di assorbire l’energia di shock o effetti di “punzonatura” e di proteggere il robot.

vantaggi
le strutture deformabili consentono a un robot morbido di adattarsi meglio a determinate circostanze o compiti dinamici, anche in un ambiente incerto (es. spostamento in un fluido con turbolenza elevata, locomozione in terreno irregolare e sconosciuto, azione di afferrare oggetto di forma, peso e fragilità sconosciuti ) o quando è in contatto con un essere vivente o un organo (nel caso di un robot chirurgico o industriale);

il rapido progresso dell’iniezione di elastomeri, quindi della stampa 3D di alcuni elastomeri consente di modellare (e oggi stampare) miscele polimeriche elastiche, di diversa elasticità, aprendo nuove possibilità; Sembra anche possibile nel prossimo futuro associare polimeri sintetici con biopolimeri o con cellule viventi;

Alcuni materiali morbidi ed elastici hanno un interesse energetico: ad esempio materiali a cambiamento di fase, strutture deformabili (ad es. Molle) o memoria di forma o l’integrazione di un gas compresso possono anche teoricamente immagazzinare e rilasciare una certa quantità di energia. Questa energia può essere utilizzata per i movimenti e i cambiamenti di forma del robot e / o essere mobilizzata per altri compiti;

Dopo essere stati strappati, forati o leggermente danneggiati, alcuni elastomeri costituiti da reti covalenti termoreversibili (i cosiddetti “Diels-Alder Polymers” o “Diels-Alder Polymers” per gli anglofoni) possono (semplicemente essendo leggermente riscaldati e poi raffreddati) riassemblare; Diventano così buste o organi robusti capaci di auto-guarire; I test pubblicati nel 2017 da Science Robotics dimostrano che i materiali possono ripararsi da soli dopo i tagli, per poi tornare indietro nonostante alcune cicatrici quasi completano le prestazioni anche dopo due cicli di riparazione / guarigione. Questo è stato testato con successo per tre attuatori pneumatici di robotica flessibile (forcipe flessibile, mano e muscoli artificiali) autoriparanti dopo ferite da piercing, lacerazione o colpi sul polimero in questione;

La robotica morbida è spesso molto meno costosa delle parti difficili dei robot “classici”.

Produzione
Tecniche di produzione convenzionali, come le tecniche sottrattive come la perforazione e la fresatura, non sono utili quando si tratta di costruire robot morbidi poiché questi robot hanno forme complesse con corpi deformabili. Pertanto, sono state sviluppate tecniche di produzione più avanzate. Tra questi, Shape Deposition Manufacturing (SDM), il processo Smart Composite Microstructure (SCM) e la stampa multimateriale 3D.

L’SDM è un tipo di prototipazione rapida in cui la deposizione e la lavorazione avvengono ciclicamente. Essenzialmente, si deposita un materiale, lo si lavora, si incorpora una struttura desiderata, si deposita un supporto per detta struttura e quindi si porta ulteriormente il prodotto a una forma finale che include il materiale depositato e la parte incorporata. L’hardware incorporato include circuiti, sensori e attuatori e gli scienziati hanno incorporato con successo i controlli all’interno di materiali polimerici per creare robot soft, come Stickybot e iSprawl.

SCM è un processo in cui si combinano corpi rigidi di polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) con legamenti polimerici flessibili. Il polimero flessibile agisce come articolazioni per lo scheletro. Con questo processo, viene creata una struttura integrata del CFRP e dei legamenti polimerici attraverso l’uso della lavorazione laser seguita dalla laminazione. Questo processo SCM viene utilizzato nella produzione di robot mesoscala poiché i connettori polimerici fungono da alternative a basso attrito alle articolazioni dei perni.

La stampa 3D ora può essere utilizzata per stampare un’ampia gamma di inchiostri siliconici usando Robocasting, noto anche come scrittura diretta dell’inchiostro (DIW). Questo percorso di produzione consente una produzione senza soluzione di continuità di attuatori di elastomeri fluidici con proprietà meccaniche definite localmente. Permette inoltre una fabbricazione digitale di attuatori pneumatici in silicone che esibiscono architetture e movimenti bioispirati programmabili. Una vasta gamma di softrobot completamente funzionali è stata stampata usando questo metodo tra cui piegatura, torsione, afferraggio e contrazione del movimento. Questa tecnica evita alcuni degli inconvenienti delle vie di produzione convenzionali come la delaminazione tra le parti incollate. Un altro metodo di produzione additivo che produce materiali di morphing di forma la cui forma è fotosensibile, attivata termicamente o reattiva all’acqua. Essenzialmente, questi polimeri possono cambiare automaticamente forma in caso di interazione con acqua, luce o calore. Uno di questi esempi di un materiale di morphing della forma è stato creato attraverso l’uso di una stampa a getto d’inchiostro reattiva alla luce su un obiettivo di polistirolo. Inoltre, i polimeri a memoria di forma sono stati prototipati rapidamente che comprendono due diversi componenti: uno scheletro e un materiale di cerniera. Al momento della stampa, il materiale viene riscaldato ad una temperatura superiore alla temperatura di transizione vetrosa del materiale della cerniera. Ciò consente la deformazione del materiale della cerniera, senza compromettere il materiale dello scheletro. Inoltre, questo polimero può essere continuamente riformato attraverso il riscaldamento.

Controllo
Tutti i robot soft richiedono un sistema per generare forze di reazione, per consentire al robot di muoversi e interagire con il suo ambiente. A causa della natura conforme di questi robot, questo sistema deve essere in grado di muovere il robot senza l’uso di materiali rigidi per agire come le ossa negli organismi o il telaio metallico nei robot rigidi. Tuttavia, esistono diverse soluzioni a questo problema di ingegneria che hanno trovato un uso, ciascuna con vantaggi e svantaggi.

Uno di questi sistemi utilizza gli attuatori elastomerici dielettrici (DEA), materiali che cambiano forma attraverso l’applicazione di un campo elettrico ad alta tensione. Questi materiali possono produrre forze elevate e avere un’elevata potenza specifica (W / kg). Tuttavia, questi materiali sono i più adatti per le applicazioni nei robot di rigidi, poiché diventano inefficienti quando non agiscono su uno scheletro rigido. Inoltre, le alte tensioni richieste possono diventare un fattore limitante nelle potenziali applicazioni pratiche di questi robot.

Un altro sistema utilizza molle realizzate in lega a memoria di forma. Sebbene siano fatti di metallo, un materiale tradizionalmente rigido, le molle sono realizzate con fili molto sottili e sono altrettanto conformi di altri materiali morbidi. Queste molle hanno un rapporto forza-massa molto alto, ma si estendono attraverso l’applicazione del calore, che è inefficiente dal punto di vista energetico.

I muscoli artificiali pneumatici sono ancora un altro metodo utilizzato per il controllo dei robot morbidi. Modificando la pressione all’interno di un tubo flessibile, agirà come un muscolo, si contrarrà e si estenderà e applicherà forza a ciò a cui è collegato. Attraverso l’uso di valvole, il robot può mantenere una determinata forma usando questi muscoli senza input di energia aggiuntivi. Tuttavia, questo metodo richiede generalmente una fonte esterna di aria compressa per funzionare.

Storia
Degli orologi, degli automi e dei giocattoli meccanici usano da diversi decenni varie forme di molle e talvolta di cuoio, tessuti che formano connessioni flessibili, o aria elastica o compressa ritorta in una fiasca come riserva di energia. Ma i polimeri necessari per realizzare robot reali, resistenti e durevoli sono disponibili da pochi decenni.

Per circa mezzo secolo, i robot industriali sono stati rigidi e piuttosto adattati a compiti veloci e ripetitivi. Materiali più o meno flessibili o morbidi erano talvolta usati nella loro costruzione, ma spesso erano di secondaria importanza; erano riservati per lo spostamento di cavi, linee fluide, giunzioni di giunzioni, sistemi di aspirazione (per afferrare oggetti fragili, per esempio) o smorzamento degli urti, ecc. La fantascienza in fumetti, romanzi e film hanno robot diffusi hanno spesso armature metalliche (o talvolta molto umanoide, anche con una pelle sintetica).

Dal 2009 al 2012, l’apparizione di siliconi tecnici, vari altri polimeri modellabili, materiali a memoria di forma hanno permesso di esplorare nuove strade. L’uso di polimeri elettroattivi e la prospettiva di essere in grado di produrre sistemi muscolari artificiali (compresi quelli basati sull’idrogel elettroattivo), insieme al regolare miglioramento delle prestazioni delle stampanti 3D, potrebbe in particolare, in connessione con lo sviluppo dei biomimetici, lo sviluppo di una robotica morbida che consente nuove abilità come compressione, stretching, torsione, gonfiore, morphing, ecc. in modi che sarebbero impossibili con elementi rigidi della robotica classica.

Nel 2013, in una conferenza internazionale dedicata all’intelligenza artificiale e in un articolo che riassume il loro punto di vista, Rolf Pfeifer e i suoi colleghi dell’Università di Zurigo presentano robot morbidi e biomimetici come la prossima generazione di “macchine intelligenti”.

Recenti scoperte e dimostrazioni hanno anche (e per esempio) focalizzato su:

“robotica del gas” (che si concentra su robot più leggeri dell’aria)
l’interesse di appendici morbide e prensili, come il corno d’elefante oi tentacoli, forse miniaturizzati; in questo caso, gli idrostati muscolari spesso fatti quasi interamente di tessuto muscolare e connettivo possono cambiare la loro forma se sono pressurizzati dall’osmosi, così come in certi organi vegetali o fungini.
un filo a carica automatica e reso molto estensibile (imitando il principio delle gocce che ricoprono le ragnatele)
l’uso di materiali semplici come i granelli di sabbia che possono essere “modellati” attraverso il principio della “transizione di disturbo” per dare l’equivalente di un forcipe robotico prima morbido e avvolgente, che può quindi essere indurito a volontà
Materiali con memoria di forma
compositi metallici polimerici ionici
elastomeri dielettrici (o DE per elastomeri dielettrici.
l’uso della stampa 3D, ad esempio per produrre un robot soft-body senza batteria o batteria dove un piccolo serbatoio di perossido di idrogeno funge da fonte di gas (che può essere attivato mettendo il perossido a contatto con un catalizzatore (platino) capace di gonfiare una rete di camere pneumatiche stampate in 3D (ad es. Octobot presentato nel 2016).
I meteorologi si aspettano robot in grado di autoripararsi, crescere, riciclare o biodegradare e possono configurare la loro morfologia per diversi compiti e / o ambiente.
Alcuni micro-robot (probabilmente anche microscopici) sono previsti da alcuni (come conseguenza logica dell’incrocio tra robotica e miniaturizzazione) ma altri come (Jay) Kim si chiedono perché; ci sono motivi convincenti o motivanti per inventarli?

Usi e applicazioni
I robot morbidi possono essere implementati nella professione medica, in particolare per la chirurgia invasiva. Si possono realizzare robot morbidi per assistere gli interventi chirurgici a causa delle loro proprietà di modifica della forma. Il cambio di forma è importante in quanto un robot morbido può navigare attorno a diverse strutture nel corpo umano regolando la sua forma. Questo potrebbe essere realizzato attraverso l’uso di attuazione fluidica.

I robot morbidi possono anche essere utilizzati per la creazione di esosuzioni flessibili, per la riabilitazione dei pazienti, per l’assistenza agli anziani o semplicemente per migliorare la forza dell’utente. Una squadra di Harvard ha creato una esosuit utilizzando questi materiali per dare i vantaggi della forza aggiuntiva fornita da un exosuit, senza gli svantaggi che derivano da quanto i materiali rigidi limitino il movimento naturale di una persona.

Tradizionalmente, i robot di produzione sono stati isolati dai lavoratori umani a causa di problemi di sicurezza, in quanto un robot rigido in collisione con un essere umano potrebbe facilmente causare lesioni a causa del movimento veloce del robot. Tuttavia, i robot morbidi potrebbero lavorare a fianco degli umani in sicurezza, poiché in caso di collisione la natura conforme del robot impedirebbe o minimizzerebbe qualsiasi potenziale danno.

Riviste internazionali
Soft Robotics (SoRo)
Sezione Soft Robotics di Frontiers in Robotics and AI
Eventi internazionali
2018 Robosoft, prima conferenza internazionale IEEE su Soft Robotics, 24-28 aprile 2018, Livorno, Italia
2017 IROS 2017 Workshop su Soft Morphological Design per Haptic Sensation, Interaction and Display, 24 settembre 2017, Vancouver, BC, Canada
2016 First Soft Robotics Challenge, 29-30 aprile, Livorno, Italia
2016 Soft Robotica settimana, 25-30 aprile, Livorno, Italia
2015 “Soft Robotics: attuazione, integrazione e applicazioni – Combinare le prospettive di ricerca per un salto in avanti nella tecnologia della robotica morbida” presso ICRA2015, Seattle WA
Workshop 2014 sui progressi nella robotica morbida, 2014 Conferenza sulla robotica Science an Systems (RSS), Berkeley, CA, 13 luglio 2014
2013 Workshop internazionale sulla robotica morbida e calcolo morfologico, Monte Verità, 14-19 luglio 2013
2012 Summer School su Soft Robotics, Zurigo, 18-22 giugno 2012

Nella cultura popolare
Il film Disney del 2014 Big Hero 6 ruotava intorno a un robot morbido, Baymax, originariamente progettato per l’uso nel settore sanitario. Nel film, Baymax è raffigurato come un robot grande ma non intimidatorio con un vinile gonfiato esterno che circonda uno scheletro meccanico. Le basi del concetto Baymax derivano dalla ricerca sulla vita reale sulle applicazioni della robotica morbida in ambito sanitario, come il lavoro del robotista Chris Atkeson presso il Robotics Institute di Carnegie Mellon.

Comunità scientifica
Alcuni elementi di robot “classici” (industriali, militari, ecc.) Sono stati a lungo fatti di materiali morbidi e talvolta elastici, ma l’idea di robot quasi completamente “morbidi” è recente. Associa alla robotica classica nuovi tipi di modellizzazione e discipline che erano solo leggermente (la chimica dei polimeri in particolare). I principi di progettazione e costruzione sono in gran parte da rivedere.

All’inizio del 2010, una comunità scientifica e tecnica internazionale si è riunita attorno all’idea di esplorare le piste aperte dalla robotica morbida, con:

da ottobre 2012, un comitato tecnico IEEE RAS dedicato alla robotica morbida (Comitato tecnico IEEE RAS su Soft Robotics) la cui missione è quella di coordinare la comunità di ricerca;
dal 2014, un giornale dedicato alla robot deformabile viene pubblicato ogni tre mesi.
in Francia, un team di ricerca di INRIA ne ha fatto la sua specialità.

Innovazione
Una delle sfide da affrontare (compresa la riparazione di robot flessibili) è quella di avere una colla flessibile, elastica e impermeabile. Sembra che stia per accadere: a metà del 2017, i fisici accademici sono riusciti a produrre in laboratorio una colla cianoacrilica altamente elastica che può attaccare sostanze dure e / o morbide (inclusi i componenti elettronici) agli idrogel (materiali come “Gels” usati in alcuni dispositivi medici e robot flessibili). Questo apre la strada alla creazione di batterie e circuiti elettrici veramente elastici ed estensibili. Il cianoacrilato è associato a un componente organico (che, senza essere un solvente, si diffonde rapidamente nel fuso in modo da evitare che diventi fragile). Al momento di premere l’impostazione dell’adesivo occorrono alcuni secondi 29. L’elasticità può raggiungere il 2000%.

Nel 2017, i ricercatori sono riusciti a sviluppare il primo robot morbido in grado di muoversi senza un motore o un sistema meccanico, un’innovazione che, utilizzando leghe di memoria, apre la strada a molte possibilità sia nella ricerca aerospaziale che in quella nanoscopica.