Gli ingegneri del MIT hanno compiuto un significativo passo avanti nella robotica aerea, progettando un microrobot aereo che vanta una velocità e un’agilità paragonabili a quelle degli insetti reali, come il calabrone. Questo risultato supera le limitazioni precedenti, dove i microrobot potevano eseguire solo voli lenti e prevedibili.
Un Microrobot aereo veloce e agile come un calabrone
I ricercatori hanno equipaggiato il piccolo insetto robotico con un nuovo controller basato sull’intelligenza artificiale. Questo sistema di controllo è stato specificamente progettato con un’architettura in due parti che unisce le alte prestazioni a un’ottima efficienza computazionale, permettendo al robot di seguire traiettorie di volo ginniche, come l’esecuzione di continui salti mortali.
Grazie a questo schema, la velocità e l’accelerazione del robot sono notevolmente aumentate: la velocità è cresciuta di circa il 450% e l’accelerazione di circa il 250% rispetto alle migliori dimostrazioni precedenti del team. Il robot ha dimostrato un’agilità straordinaria, riuscendo a completare 10 capriole consecutive in soli 11 secondi, mantenendo la traiettoria anche quando le turbolenze del vento minacciavano di farlo deviare.
La velocità e l’agilità tipiche degli insetti rendono questo piccolo robot estremamente promettente per future applicazioni. Un giorno, minuscoli robot volanti come questo potrebbero essere impiegati in missioni di ricerca e soccorso. Sfruttando la loro capacità di sfrecciare in spazi ristretti e inaccessibili ai robot più grandi, potrebbero cercare sopravvissuti intrappolati sotto le macerie di disastri, schivando ostacoli fissi e frammenti in caduta con la destrezza di un vero insetto.
Il futuro del volo robotico ispirato agli insetti
Kevin Chen, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT e responsabile del Laboratorio di Robotica Morbida e Micro (RLE), descrive con entusiasmo gli obiettivi raggiunti: “Vogliamo essere in grado di utilizzare questi robot in scenari in cui i quadricotteri più tradizionali avrebbero difficoltà a volare, ma che gli insetti potrebbero gestire.”
Il nuovo sistema di controllo sviluppato dal team è bioispirato, replicando l’efficacia del volo biologico. Chen sottolinea che, grazie a questo sviluppo, “le prestazioni di volo del nostro robot sono paragonabili a quelle degli insetti in termini di velocità, accelerazione e angolo di beccheggio. Questo è un passo avanti entusiasmante verso questo obiettivo futuro.” Il gruppo di ricerca del professor Chen si dedica alla costruzione di insetti robotici da oltre cinque anni.
Il professor Kevin Chen è coautore senior dell’articolo scientifico, affiancato da un ampio team di ricercatori. I co-autori principali includono Yi-Hsuan Hsiao, studente laureato presso l’EECS del MIT; Andrea Tagliabue, dottorando del ’24; e Owen Matteson, studente laureato presso il Dipartimento di Aeronautica e Astronautica (AeroAstro).
Altri contributori al lavoro sono Suhan Kim, studente laureato presso l’EECS, e Tong Zhao, MEng del ’23. Il co-autore senior è Jonathan P. How, professore di Ingegneria Ford presso il Dipartimento di Aeronautica e Astronautica e ricercatore principale presso il Laboratorio per i Sistemi Informativi e Decisionali (LIDS).
Velocità, precisione e agilità
L’approccio in due fasi ha permesso al robot di dimensioni di un insetto di raggiungere risultati impressionanti. Il robot ha volato a una velocità superiore del 447% e ha registrato un aumento dell’accelerazione del 255%. Per quanto riguarda la precisione, il minuscolo robot è stato in grado di completare 10 capriole in soli 11 secondi, discostandosi di non più di 4 o 5 centimetri dalla traiettoria pianificata.
Come afferma Yi-Hsuan Hsiao, co-autore principale, questo lavoro dimostra che “i robot morbidi e i microrobot, tradizionalmente limitati in termini di velocità, possono ora sfruttare algoritmi di controllo avanzati per raggiungere un’agilità che si avvicina a quella degli insetti naturali e dei robot più grandi, aprendo nuove opportunità per la locomozione multimodale.”
I ricercatori sono riusciti a dimostrare anche il movimento saccadico (o volo saccadico), un comportamento cruciale in natura. Questo si verifica quando gli insetti si inclinano in modo aggressivo, volano rapidamente verso una posizione e poi si inclinano nella direzione opposta per fermarsi. Questa rapida accelerazione e decelerazione è vitale per gli insetti per localizzarsi e vedere chiaramente l’ambiente circostante. Il professor Kevin Chen spiega che “questo comportamento di volo bio-imitatore potrebbe esserci utile in futuro, quando inizieremo a installare telecamere e sensori a bordo del robot.”
Una priorità per i lavori futuri sarà l’aggiunta di sensori e telecamere a bordo, essenziali per consentire ai microrobot di volare all’aperto senza essere vincolati a complessi sistemi esterni di motion capture. I ricercatori intendono anche studiare come i sensori di bordo potrebbero aiutare i robot a evitare collisioni e a coordinare la navigazione. Il professor Chen spera che questo lavoro segni un cambiamento di paradigma per la comunità della microrobotica, “dimostrando che possiamo sviluppare una nuova architettura di controllo che sia allo stesso tempo efficiente e ad alte prestazioni.”
Sarah Bergbreiter, professoressa di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University (non coinvolta nel progetto), ha commentato positivamente la ricerca, definendo il lavoro “particolarmente impressionante”. Bergbreiter sottolinea che i robot eseguono capriole precise e svolte rapide nonostante le incertezze dovute alle tolleranze di fabbricazione, alle raffiche di vento e persino al cavo di alimentazione che si avvolge durante le manovre.
Infine, l’esperta aggiunge una nota di ottimismo sul futuro: “Sebbene il controller sia attualmente gestito da un computer esterno anziché a bordo del robot, gli autori dimostrano che politiche di controllo simili, ma meno precise, potrebbero essere realizzabili anche con la potenza di calcolo più limitata disponibile su un robot a grandezza di insetto. Questo è entusiasmante perché preannuncia la realizzazione di futuri robot a grandezza di insetto con un’agilità prossima a quella delle loro controparti biologiche.”
L’articolo è stato pubblicato su Science Advances.
