È stato sviluppato un innovativo tipo di robot, denominato metabot, che dimostra la capacità di eseguire una vasta gamma di azioni pur essendo privo di motore.
Questi robot sono realizzati a partire da sottili fogli di un unico materiale piatto, tipicamente polimero forato, e sono in grado di assumere centinaia di forme stabili. Il team di ricerca che ha guidato lo sviluppo proviene dalla North Carolina State University.
Metabot: un robot senza motore con capacità morfologiche avanzate
I metabot, che assomigliano a fogli di plastica animati capaci di muoversi su superfici o afferrare oggetti, devono la loro funzionalità all’incorporazione di pellicole sottili sulla superficie del polimero. Come spiegato da Jie Yin, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la North Carolina State University, queste pellicole agiscono da attuatori, contenendo materiali che rispondono a campi elettrici o magnetici. Ciò permette al team di modificare la forma del foglio in maniera controllata e a distanza.
Questi robot piatti possiedono molteplici modalità di movimento, potendo eseguire sia salti che strisciamenti a diverse velocità. Un elemento chiave del progetto riguarda la capacità di costruire strutture complesse a partire da più fogli collegati. Caizhi Zhou, primo autore dell’articolo, ha evidenziato che l’unione di diversi fogli crea strutture che, pur restando inizialmente piatte, possono piegarsi e ripiegarsi in una vasta varietà di configurazioni stabili.
A titolo di esempio, Zhou ha menzionato che collegando quattro fogli si ottiene un metabot in grado di mantenere una forma piatta, ma che è capace di piegarsi in ben 256 diversi stati stabili.
Funzionalità adattive e controllo del movimento
Il team di ricerca ha dimostrato che questi robot sono in grado di modificare sia la loro forma che la loro andatura per adattarsi a diversi tipi di terreno e per eseguire funzioni specifiche, come l’afferrare e il sollevare oggetti. Caizhi Zhou ha aggiunto che l’integrazione di materiali piezoelettrici nei film sottili consente di indurre vibrazioni controllate nei metabot attraverso la variazione di tensione e frequenza. Questo offre un ulteriore livello di controllo sul movimento, permettendo, ad esempio, di far ruotare un metabot a sinistra o a destra mantenendolo nella stessa posizione.
Il lavoro sfrutta il principio delle metastutture multistabili a guscio sottile, progettate per essere sviluppate su base superficiale e caratterizzate da un’elevata riconfigurabilità, essenziale per la manipolazione e la locomozione adattive. Queste metastrutture sono create tagliando e saldando sottili fogli di polimero con sagome predefinite, un processo che permette di programmare l’energia elastica precedentemente immagazzinata nel materiale.
Una singola unità può raggiungere fino a 20 configurazioni stabili, mentre un assemblaggio di quattro unità genera 256 stati riconfigurati, ottenuti attraverso la semplice piegatura di pieghe virtuali dinamiche.
Nello studio, i ricercatori hanno descritto come l’integrazione di queste metastrutture con attuatori morbidi multi-rispondenti a film sottile trasformi i sistemi in metabot altamente adattabili. Tali applicazioni includono pinze morbide bistabili universali e non invasive, jumper magnetici a multi-andatura e crawler a doppia risposta alimentati da attuazione sia magnetica che elettroattiva.
I ricercatori hanno inoltre sottolineato che questi sistemi dimostrano una notevole adattabilità e manovrabilità, capaci di muoversi in terreni complessi e ambienti ristretti attraverso trasformazioni di forma on demand. Ciò apre nuove prospettive per la creazione di piattaforme robotiche morbide che siano altamente riconfigurabili ed energeticamente efficienti.
La sinergia tra metamateriali e robotica
Il lavoro di sviluppo dei metabot, pur essendo in una fase iniziale di proof of concept (dimostrazione di fattibilità), riveste un’importanza cruciale per il futuro della robotica. I risultati ottenuti non sono solo la conferma della possibilità di realizzare tali sistemi, ma stabiliscono anche la validità di un nuovo paradigma ingegneristico.
Come sottolineato da Jie Yin, l’approccio dimostra che questa tipologia di robotica, basata su metastrutture riconfigurabili e materiali attuatori sottili, è intrinsecamente economica e, al contempo, altamente adattabile a una moltitudine di compiti e ambienti operativi.
Il cuore innovativo di questa ricerca risiede nell’ambizione di unire i principi dei metamateriali con quelli della robotica. I metamateriali, infatti, sono strutture ingegnerizzate per ottenere proprietà che non si trovano in natura, in questo caso l’eccezionale capacità di cambiare forma e stato stabile in modo programmabile. L’integrazione di questi principi ha permesso di superare la necessità di complessi motori e meccanismi meccanici tradizionali.
. I ricercatori ritengono che i risultati ottenuti siano estremamente promettenti, poiché dimostrano che è possibile conferire movimento, controllo e adattabilità a strutture fondamentalmente piatte e semplici, sfruttando l’energia elastica programmata e la risposta di pellicole sottili a stimoli esterni (elettrici o magnetici).
L’approccio economico non si limita al costo iniziale dei materiali, ma si estende all’efficienza operativa. Creando robot in grado di cambiare forma su richiesta per la locomozione e la manipolazione, si elimina la necessità di componenti ridondanti o motori sovradimensionati, portando a piattaforme robotiche più leggere ed energeticamente efficienti.
L’alta adattabilità, poi, rende i metabot ideali per operare in ambienti non strutturati o ristretti, dove i robot rigidi tradizionali incontrerebbero difficoltà. Questa base concettuale promette di aprire la strada a una nuova generazione di robotica morbida, versatile e accessibile per un’ampia gamma di applicazioni, dalla chirurgia non invasiva al micromanagement industriale.
Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
