La maggior parte dei robotic sono costruiti per assomigliare a qualcosa. Gli ingegneri che progettano macchine per navigare nel mondo reale hanno, per decenni, raggiunto gli stessi punti di riferimento: lo scheletro umano, il trotto a quattro zampe del cane, il gattonare dell’insetto. Questi modelli biologici hanno prodotto macchine impressionanti, ma portano con sé il presupposto che un robotic abbia bisogno di una parte anteriore, di una parte posteriore e di una direzione di viaggio preferita. Un staff del Basic Robotics Lab della Duke College ha ora messo in discussione direttamente questo presupposto, e il risultato è una macchina che sembra diversa da qualsiasi cosa in un catalogo di robotica e, cosa più importante, si muove diversamente da qualsiasi cosa sia venuta prima.
Il robotic omnidirezionale di Duke senza fronte né retro
Il robotic si chiama Argus, dal nome del gigante onniveggente della mitologia greca, e il nome si adatta. Ha 20 gambe modulari e telescopiche che si irradiano verso l’esterno da un nucleo centrale, ciascuna dotata di una telecamera di profondità, che gli conferisce un campo visivo sferico quasi completo. Non c’è né davanti, né dietro, né sopra, né sotto. Può camminare, rotolare, arrampicarsi, stabilizzare e manipolare oggetti in qualsiasi direzione senza bisogno prima di girarsi o riorientarsi. Il lavoro, condotto dal professore di ingegneria Boyuan Chen insieme al dottorando Jiaxun Liu e al ricercatore post-dottorato Boxi Xia, è stato pubblicato sulla rivista Robotica scientifica.
Il principio di progettazione alla base di Argus e ciò che effettivamente misura
Il fondamento concettuale di Argus è un principio di progettazione sviluppato dal staff chiamato isotropia dinamica. Invece di chiedersi come dovrebbe essere un robotic, il principio si chiede quanto uniformemente possa accelerare in ogni direzione nello spazio. Il staff ha quantificato questo risultato come un punteggio da 0 a 1, dove 1 rappresenta una macchina teoricamente perfetta che può spingersi in qualsiasi direzione con la stessa forza. Secondo lo studio pubblicato, la maggior parte dei robotic avanzati in uso oggi, compresi i quadrupedi all’avanguardia, i robotic umanoidi e i droni convenzionali, ottengono un punteggio inferiore a 0,6 in questa misura. Argus segna 0,91, avvicinandosi al tetto teorico. Come ha affermato Chen: “Quando un robotic può accelerare ugualmente bene in ogni direzione, non ha più bisogno di affrontare il mondo in un modo particolare. Avanti e indietro diventano la stessa cosa. La sinistra e la destra diventano la stessa cosa. L’intero problema del controllo dei robotic cambia carattere.”
Perché la geometria dodecaedrica di Argus produce una simmetria di movimento quasi perfetta
Per arrivare al punteggio di 0,91 è stato necessario prima risolvere un problema di geometria. Il staff ha simulato più di 1.500 configurazioni di robotic per identificare quale disposizione delle gambe si avvicinava di più al massimo teorico. Il progetto vincitore ha posizionato 20 gambe identiche guidate da cavi ai vertici di un dodecaedro regolare, un solido geometrico tridimensionale con 12 facce pentagonali. Questa disposizione produce una distribuzione quasi perfettamente uniforme sia della forza che della copertura visiva in tutte le direzioni. Ciascuna gamba è telescopica e guidata da un cavo, il che significa che può estendersi e ritrarsi per spingere contro le superfici, e ciascuna porta la propria telecamera di profondità in modo che la percezione del robotic corrisponda simultaneamente alla sua portata fisica in ogni direzione. Il risultato somiglia meno a una macchina e più a un riccio di mare, il che non è una coincidenza. Lo studio rileva esplicitamente la somiglianza, e la geometria dietro advert essa è lo stesso principio che conferisce ai ricci di mare la loro notevole consistenza meccanica.
Argus ha attraversato foreste, sabbia e superfici bagnate nei check del mondo reale
Costruire un robotic che funzioni bene nella simulazione è una cosa; il staff della Duke ha testato ampiamente Argus nel mondo reale, eseguendolo attraverso il campus della Duke e il terreno circostante. Secondo lo studio, Argus è rotolato su cemento, erba, fogliame denso, sabbia soffice, superfici bagnate e corteccia di alberi senza perdere stabilità indipendentemente dal suo orientamento. Ha superato ostacoli alti fino a cinque pollici. Si arrampicava verticalmente tra due pareti parallele vicine, rinforzandosi e spingendosi alternativamente con diversi sottoinsiemi delle gambe. Trasportava un carico utile di dieci libbre quasi alla massima velocità e spingeva un grande cubo attorno a uno spazio rotolando continuamente. Il dottorando Jiaxun Liu, coautore dell’articolo, ha dichiarato: “La prima volta che l’abbiamo visto navigare tra gli alberi e terreni accidentati, anche in caso di forti collisioni, sapevamo che si trattava di qualcosa di diverso”.
Come Argus continua a muoversi anche quando le sue gambe si rompono o i suoi motori si guastano
Uno dei risultati più significativi della ricerca riguarda la resistenza del robotic ai danni. Poiché le sue 20 gambe contribuiscono ciascuna solo una frazione della locomozione totale e poiché il design distribuisce la forza in modo uniforme anziché fare affidamento su un numero limitato di arti critici, Argus continua a funzionare anche quando uno o più motori si guastano o una gamba è rotta. Questo non è un vantaggio minore. La maggior parte dei robotic con meno arti va incontro a un significativo degrado delle capacità o al completo fallimento quando viene persa una giunzione chiave. L’architettura di Argus lo rende strutturalmente tollerante al fallimento parziale in un modo che riflette gli stessi calcoli che lo rendono omnidirezionale: nulla è così dominante che perdendolo si rompe il sistema.
Il futuro della robotica oltre i modelli di progettazione biologica
Il staff è esplicito nel dire che Argus è una prova di concetto piuttosto che un prodotto finito, ma le implicazioni per la progettazione della robotica sono sostanziali. Il ricercatore post-dottorato Boxi Xia ha osservato che il robotic dimostra che la simmetria dinamica non è solo un esercizio teorico; produce una macchina dispiegabile in grado di affrontare le sfide del mondo reale. Chen ha descritto Argus come il primo membro di quella che immagina come una famiglia più ampia di macchine dinamicamente simmetriche: “Robotic che non hanno bisogno di imitare cani o esseri umani per essere agili, resistenti e utili.I ricercatori hanno anche modellato progetti con un massimo di 40 gambe che ottengono punteggi ancora più alti in termini di isotropia dinamica, anche se per ora rimangono poco pratici come prototipi, knowledge la complessità meccanica aggiunta. L’architettura dodecaedrica di Argus, tuttavia, si trova in un punto di flessione utile, abbastanza complesso da avvicinarsi all’ideale teorico, abbastanza semplice da poter essere effettivamente costruito e testato sul campo.
