Costruire un cane robot in corsa...

Gli ingegneri del Computational Robot Design & Fabrication Lab (CREATE) dell'EPFL, guidati dalla professoressa Josie Hughes, stanno escogitando nuovi modi per costruire robot dotati di capacità mai viste prima. Ad esempio, Hughes e altri due ricercatori hanno utilizzato ChatGPT per progettare una pinza robotica per la raccolta dei pomodori. E Mickaël Achkar ha utilizzato i dati di motion capture di cani vivi per costruirne uno robotico. Più specificamente, Achkar ha studiato i meccanismi biologici dei cani per creare un robot più intelligente e costruire un prototipo che possa funzionare da solo una volta messo in moto, senza attivare i motori.

"Volevo progettare un robot con caratteristiche animali, tenendo presente che gli animali, come gli esseri umani, si muovono in un'enorme varietà di modi", afferma Achkar. "Ma la maggior parte di questi movimenti vengono eseguiti solo da poche articolazioni." Ha quindi tratto ispirazione dai processi di controllo motorio degli animali per guidarlo nella progettazione del suo robot.

Achkar avrebbe potuto scegliere praticamente qualsiasi animale – una cavalletta, un topo, un elefante o un ghepardo, per esempio – ma un cane si è rivelata la scelta più ovvia. "Abbiamo trovato un vasto set di dati sul movimento dei cani, ed era persino disponibile in open source!" lui dice. Il primo passo è stato quello di estrarre i dati sui movimenti sinergici dei cani e quindi strutturare i dati in modo che potessero essere “riassunti” in modo significativo, attraverso un metodo noto come analisi delle componenti principali. Ciò ha comportato sostanzialmente il raggruppamento dei dati in diversi vettori che descrivono gli assi principali del movimento del cane e l’utilizzo di queste informazioni per stabilire specifiche esatte per il robot.

Metallo, pulegge, cavi e viti

Il cane robotico di Achkar ha una simmetria bilaterale. Ognuna delle quattro gambe del robot ha tre articolazioni e ciascuna articolazione è coordinata con le altre. Quest'ultima caratteristica è il vantaggio aggiuntivo che consente al robot di Achkar di correre allo stesso modo – e con tutta l'agilità – di un vero cane. Per costruire il prototipo, Achkar ha utilizzato barre di metallo come ossa, pulegge stampate in 3D come giunti, cavi sottili come tendini e alcune viti per tenere tutto insieme.

Gli ingegneri hanno acquistato un tapis roulant per testare il loro prototipo. Hanno scoperto che una volta che il robot si metteva in moto, poteva funzionare autonomamente senza dover attivare i motori di controllo. "All'inizio pensavamo che potesse essere stato un colpo di fortuna", dice Achkar. "Quindi abbiamo modificato leggermente il design e testato nuovamente il robot, ma non poteva più funzionare." Tuttavia, il gruppo di ricerca ha aggiunto un contrappeso, simile a un pendolo, in modo che il robot potesse rimanere in movimento una volta avviato. "Il contrappeso utilizza la risonanza per iniettare energia", afferma Achkar. Francesco Stella, dottorando presso CREATE e supervisore del progetto, aggiunge: "Abbiamo progettato il corpo del robot per essere in grado di rispondere automaticamente, proprio come una trota inizia a nuotare automaticamente quando viene messa in acqua."

Giunti che si muovono in sinergia

I motori di controllo del robot sono tuttavia utili per ottenere una gamma di movimento più ampia. Ad esempio, può saltare e superare ostacoli senza l'aiuto del contrappeso. "Ci piacerebbe spingere ulteriormente la nostra progettazione con i motori, ma per ora il prototipo non è molto robusto", dice Achkar. Ciò non gli ha impedito di mettere alla prova il cane meccanico, ad esempio mettendogli un bastone tra le gambe per vedere come avrebbe risposto. Imperturbabile, il robot riprese automaticamente il suo aggraziato galoppo. E sul tapis roulant raggiunge facilmente la velocità di 6 km/h.

"Il nostro obiettivo non è competere con cani robotici ultra-tecnologici, ma piuttosto esplorare progetti di robot ispirati alla biologia", afferma Achkar. “Ciò comporta l'affinamento della progettazione fondamentale di un robot e la modifica delle sue proprietà passive in modo che siano necessari solo semplici sistemi di controllo, il tutto massimizzando le capacità del robot. Ciò che abbiamo fatto qui – progettare le articolazioni affinché lavorino in sinergia – si è già dimostrato utile per creare mani robotiche e altre parti del corpo”.

Achkar ha presentato il suo articolo di ricerca a una rivista scientifica per la pubblicazione, e dovrebbe apparire nei prossimi mesi. Ora che ha completato il master in ingegneria robotica, Achkar ha intenzione di tornare a Montreal. È arrivato all'EPFL dal Canada dopo aver conseguito una laurea in ingegneria meccanica presso la McGill University. Perché ha scelto l'EPFL? Perché offriva un'eccellente istruzione e si trovava nella parte francofona dell'Europa. Gli ha anche dato la possibilità di scoprire l'entusiasmante mondo della robotica.