Robot-rana balza con barrette elastiche e supera le gambe rigide

Ricordate il trucco delle «matite danzanti» di scuola, in cui due matite passano attraverso un elastico, vengono ritorte e poi schizzano via una volta rilasciate? I ricercatori della UCLA e dell'Università del Michigan hanno trasformato una versione di quell'idea di tensione immagazzinata in un robot a forma di rana che balza su erba, sabbia e piccoli gradini. Le sue zampe non vengono spinte lentamente da un motore. Vengono caricate di energia e poi lasciate andare in un unico scatto.

Per una macchina così piccola, gli ostacoli sono cose di tutti i giorni. Erba, terreno irregolare, minuscole pozzanghere e oggetti sparsi possono bloccare un robot appena più alto di loro. Un salto permette di superarli, ma richiede una spinta forte e molto rapida, mentre i piccoli motori che alimentano i robot minuscoli forniscono un movimento costante e continuo, non degli impulsi. Le molle possono colmare questo divario: un motore le carica lentamente, poi rilasciano l'energia in un colpo solo. Sono state provate anche le travi a scatto, ma in una struttura tridimensionale possono ribaltarsi violentemente o piegarsi gradualmente, a seconda della forma e del modo in cui sono caricate.

L'approccio del team è stato capire esattamente cosa distingua uno scatto netto da una lenta flessione. Hanno prima usato modelli al computer per prevedere come le barrette elastiche rispondono a combinazioni di flessione e torsione, poi hanno usato un braccio robotico per verificare quelle previsioni su barrette reali. Ne è emersa una mappa delle condizioni che producono uno scatto pulito, e le zampe del robot sono state progettate a partire da quella mappa. Ogni zampa è una barretta dritta piegata a elica, fissata a un'estremità e fatta ruotare dall'altra da un piccolo servomotore. Quando la forma attuale della barretta diventa instabile, questa si ribalta in un'altra configurazione, spingendo contro il terreno. Il motore riporta poi la zampa nella posizione iniziale, in gran parte mentre il robot è in aria. Il team ha dovuto anche bilanciare forza e recupero: alcune forme rilasciavano più energia ma richiedevano rotazioni più ampie del motore tra un salto e l'altro, e il progetto scelto offre una spinta forte e un ripristino abbastanza rapido per salti ripetuti.

Nello studio pubblicato su Science Advances, il team ha costruito un robot di 11 cm (4,3 in) e 98,2 g (3,5 oz) con due zampe posteriori a scatto, e lo ha confrontato con una versione dotata della stessa potenza ma con gambe rigide. Il robot a scatto è stato più veloce su ogni superficie, raggiungendo 3,21 lunghezze corporee al secondo sul legno e una media di 2,46 lunghezze corporee al secondo su tutte e sei le superfici, contro 0,79 della versione a gambe rigide. Il divario era più ampio su stoffa ed erba, dove il robot a gambe rigide quasi si bloccava. Il prototipo ha inoltre superato piccoli gradini, eseguito ripetuti salti all'indietro e, con sottili pinne flessibili, nuotato a circa mezza lunghezza corporea al secondo, aggirando ostacoli anche con il vento. Per ora resta un prototipo di ricerca: la sua capacità di sterzata è stata mostrata con un controllo a distanza in una vasca di sassi e con sensori di luce, e il team ha misurato la velocità solo rispetto alla propria versione a gambe rigide.

Per le squadre di ispezione e i soccorritori che lavorano in siti pieni di detriti, un robot che scavalca le macerie invece di restarvi incastrato potrebbe fare la differenza, e uno che può anche nuotare con le stesse zampe amplia i luoghi in cui può arrivare. I ricercatori vedono un secondo vantaggio oltre alla navigazione: la meccanica svolge una parte del lavoro che altrimenti richiederebbe un motore più grande o un controllo più complesso. Huang, uno dei ricercatori, suggerisce che l'idea potrebbe adattarsi a una pinza robotica a chiusura rapida. Questi usi non sono ancora stati dimostrati e dipendono dal fatto che il robot dimostri prima il proprio valore rispetto ad altri piccoli robot, cosa che lo studio non ha ancora fatto.