Pubblicato il: 20 aprile 2025 / Aggiornato il: 20 aprile 2025 – Autore: Konrad Wolfenstein
Biomimetica nella microrobotica con RoboBee e altri: come le tecniche di atterraggio degli insetti guidano la robotica – Immagine creativa: Xpert.Digital
Ispirati dalla natura: come la biomimetica sta ampliando i confini della robotica
Piccoli aiutanti: i robot insetti conquistano l'agricoltura, la medicina e altro ancora
Nel corso di milioni di anni, la natura ha sviluppato soluzioni straordinarie a sfide complesse. È proprio questa efficienza ed eleganza dei sistemi naturali a ispirare sempre di più gli scienziati nello sviluppo di tecnologie robotiche avanzate. In particolare, nel campo della microrobotica, la biomimetica ispirata agli insetti ha portato a scoperte straordinarie. Soprattutto, i recenti progressi nelle tecniche di atterraggio dei microrobot, ispirate a insetti come tipule e api, dimostrano in modo impressionante come la natura possa fungere da modello per soluzioni tecniche innovative.
Fondamenti di biomimetica nella robotica
La biomimetica, nota anche come bionica, descrive il trasferimento sistematico di meccanismi e processi dalla natura alla tecnologia. Questo approccio interdisciplinare sta riscuotendo sempre maggiore attenzione in settori come la scienza dei materiali, la robotica, le energie rinnovabili, la medicina e l'informatica. Invece di limitarsi a copiare la natura in modo fedele, gli scienziati mirano a comprenderne i principi fondamentali e ad adattarli alle applicazioni tecniche.
Gli ingegneri hanno sempre tratto ispirazione dalla natura, spiega Hartmut Witte, responsabile del dipartimento di Biomeccatronica della TU Ilmenau. La bionica serve non solo a promuovere e sistematizzare questa capacità di associazione, ma anche ad ampliare le basi per lo sviluppo tecnico dei prodotti. L'evoluzione ha prodotto organismi perfettamente adattati al loro ambiente, e questi adattamenti forniscono preziosi modelli per le innovazioni tecnologiche.
Quando i principi biologici vengono applicati alla tecnologia, diventa chiaro che la vera bionica non è riconoscibile dalle caratteristiche esterne, spiega Witte. Non si tratta semplicemente di imitare la forma esterna, ma di adattare i principi funzionali perfezionati in natura.
Adatto a:
Microrobot ispirati agli insetti: meraviglie tecniche in miniatura
Gli insetti, grazie alle loro dimensioni, efficienza e capacità straordinarie, rappresentano modelli ideali per lo sviluppo di microrobot. Le loro caratteristiche di volo, i meccanismi di locomozione e l'adattabilità altamente sviluppati hanno ispirato ricercatori di tutto il mondo a replicare tecnicamente questi sistemi biologici.
RoboBee: il microrobot volante di Harvard
Uno degli esempi più noti di robotica ispirata agli insetti è il RoboBee dell'Università di Harvard. Questo minuscolo robot volante pesa solo un decimo di grammo e ha un'apertura alare di soli 3 centimetri. Il RoboBee è costituito da tre componenti principali: un corpo in fibra di carbonio, ali sottilissime e un "cervello" composto da una serie di sensori intelligenti.
Le ali sono azionate da attuatori piezoelettrici, un tipo di muscolo artificiale che converte l'energia elettrica in movimento. Questa tecnologia consente al microrobot di volare, librarsi ed eseguire manovre complesse come una vera ape.
Ulteriori esempi di microrobot ispirati agli insetti
Gli ingegneri dell'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato un robot volante ispirato agli insetti ancora più piccolo. Con un diametro inferiore a 1 cm e un peso di soli 21 mg, è il più piccolo robot wireless al mondo in grado di volare controllato. A differenza del RoboBee, tuttavia, questo robot utilizza campi magnetici esterni per la propulsione e il controllo.
I ricercatori di bionica del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato microrobot che imitano il comportamento delle formiche. Questi minuscoli robot sono larghi solo 1,8 millimetri, spessi 0,8 millimetri e pesano circa 5 milligrammi. La visione dei ricercatori: sciami di questi insetti elettronici potrebbero assumere il controllo dell'impollinazione delle piante in agricoltura.
La sfida dell'atterraggio sicuro
Una delle maggiori sfide per i microrobot volanti è l'atterraggio sicuro. A causa delle loro dimensioni ridotte e del peso ridotto, sono particolarmente sensibili alle turbolenze e all'instabilità dell'aria, soprattutto in prossimità del suolo.
Il problema di atterraggio del RoboBee
"Finora, durante l'atterraggio, spegnevamo il veicolo da terra, lo lasciavamo cadere e pregavamo che atterrasse dritto e in sicurezza", spiega Christian Chan, dottorando del team di ricerca di Harvard. Questo atterraggio incontrollato rappresentava un rischio significativo per i sensibili attuatori piezoelettrici e le delicate ali del robot, che avrebbero potuto essere facilmente danneggiati da un impatto.
Il problema è stato aggravato dal cosiddetto effetto suolo, ovvero la turbolenza causata dal battito delle ali, che porta all'instabilità durante l'atterraggio. Queste sfide aerodinamiche rendono particolarmente difficile l'atterraggio controllato dei piccoli robot volanti.
Soluzione di atterraggio ispirata alle zanzare
Per risolvere questo problema, gli scienziati dell'Università di Harvard si sono concentrati sulla tignola, un insetto dalle dimensioni simili a quelle del RoboBee. La tignola è in grado di atterrare con eleganza su un'ampia varietà di superfici, grazie alle sue lunghe e flessibili zampe che attutiscono l'impatto.
Ispirandosi a questo modello naturale, il team ha sviluppato un nuovo carrello di atterraggio per RoboBee: quattro lunghe zampe articolate, simili a quelle della tignola. Queste zampe sono sufficientemente lunghe e flessibili da garantire un contatto sicuro con il terreno prima che il corpo principale del robot venga influenzato da turbolenze atmosferiche problematiche.
Oltre ai miglioramenti meccanici, gli scienziati hanno anche adattato il sistema di controllo del volo del robot, prendendo spunto dal comportamento di atterraggio delle tipule. Queste accelerano da una posizione di hovering, quindi decelerano verso il bersaglio di atterraggio e toccano terra a bassa velocità. L'energia d'impatto rimanente viene quindi assorbita dal carrello di atterraggio meccanico.
Tecniche di atterraggio alternative per i microrobot
Un'altra tecnica di atterraggio ispirata agli insetti è stata sviluppata dai ricercatori dell'Università di Harvard per le versioni precedenti del RoboBee. Mentre gli insetti veri usano spesso un qualche tipo di adesivo per aggrapparsi alle superfici verticali, i ricercatori si sono affidati all'attrazione elettrostatica per fissare il robot a un substrato. Questo approccio richiede solo una piccola quantità di energia per fissare il robot leggero in posizione.
Un altro sviluppo notevole proviene dall'Università di Aeronautica e Astronautica di Nanchino (NUAA), dove i ricercatori hanno creato un robot insetto che combina capacità di volo e di arrampicata. Questo robot può atterrare su una parete verticale, arrampicarsi su di essa e decollare di nuovo, una capacità che ha dimostrato su vari materiali come vetro, legno, marmo e persino corteccia d'albero.
Approcci biomimetici oltre la tecnologia di atterraggio
La natura ispira i robotici non solo nello sviluppo di tecniche di atterraggio, ma anche in numerosi aspetti della microrobotica. Dai meccanismi di locomozione e dai sistemi di adesione ai concetti di propulsione, la natura offre una ricca riserva di soluzioni.
Sistemi di movimento avanzati
Un team di ricerca dell'Università di Harvard ha sviluppato un micro-robot insetto chiamato "Little Fury" con una "coda" artificiale ispirata ai collemboli. Questo robot può saltare ben 1,4 metri, ovvero 23 volte la lunghezza del suo corpo. Il meccanismo di salto si basa sulla "forcula" del collembolo, che funziona come una molla compressa.
I ricercatori del dipartimento di biomeccatronica della TU Ilmenau hanno costruito un piccolo bruco robotico dotato del cosiddetto "Gecko Tape". Questo materiale si ispira ai meccanismi adesivi di gechi, ragni e coleotteri, che possono camminare su superfici verticali e persino sui soffitti senza fluidi adesivi.
Navigazione autonoma e comportamento dello sciame
Un altro importante ambito della robotica biomimetica è la navigazione autonoma. Gli scienziati dell'Università di Lund, in Svezia, hanno sviluppato un concept per un nuovo sistema di orientamento per droni basato sul comportamento di evitamento degli insetti. Le osservazioni hanno dimostrato che le api utilizzano l'intensità luminosa per orientarsi ed evitare gli ostacoli.
I ricercatori ungheresi hanno trasferito il comportamento di sciame degli insetti ai droni. Utilizzando un algoritmo di nuova concezione, fino a nove velivoli possono volare in formazione e quindi navigare anche in ambienti complessi come le città.
Adatto a:
Potenziale applicativo e prospettive future
I microrobot ispirati agli insetti promettono un'ampia gamma di applicazioni in vari campi.
Agricoltura e monitoraggio ambientale
Una delle potenziali applicazioni più affascinanti è l'impollinazione artificiale. Dato il declino globale delle popolazioni di api, sciami di RoboBee potrebbero un giorno contribuire all'impollinazione delle piante. Inoltre, questi microrobot potrebbero essere utilizzati nel monitoraggio ambientale per raccogliere dati sulle condizioni ambientali inaccessibili ai droni più grandi.
Ricognizione e soccorso in caso di calamità
Grazie alle loro dimensioni ridotte, i microrobot ispirati agli insetti potrebbero essere utilizzati per esplorare spazi ristretti, edifici crollati o altri ambienti complessi. Nelle zone colpite da calamità naturali, potrebbero fornire informazioni preziose senza mettere in pericolo le persone.
Applicazioni mediche
A lungo termine, i robot miniaturizzati potrebbero essere utilizzati anche in campo medico. Sciami di minuscoli robot potrebbero potenzialmente eseguire diagnosi o persino trattamenti all'interno del corpo umano.
Limiti attuali e sviluppi futuri
Nonostante i progressi impressionanti, i microrobot ispirati agli insetti devono ancora affrontare sfide significative. Attualmente, ad esempio, il RoboBee è ancora collegato a sistemi di controllo esterni tramite cavi, il che ne limita la mobilità. I ricercatori stanno lavorando per miniaturizzare i sensori, i sistemi di controllo e l'alimentatore in modo che possano essere integrati direttamente nel robot volante.
La miniaturizzazione di questi componenti è considerata il "triplo Santo Graal" della microrobotica e presenta enormi sfide tecniche. Ciononostante, la visione dei ricercatori è chiara: sciami di microrobot completamente autonomi, in grado di svolgere compiti complessi in ambienti diversi.
La natura come ingegnere: progressi nella microrobotica
La biomimetica ha rivoluzionato lo sviluppo della microrobotica, consentendo agli ingegneri di beneficiare di milioni di anni di ottimizzazione evolutiva. I recenti progressi nelle tecniche di atterraggio ispirate agli insetti per microrobot come il RoboBee dimostrano in modo impressionante il potenziale di questo approccio.
Imitando i sistemi naturali, i ricercatori non solo stanno sviluppando robot più efficienti e robusti, ma stanno anche acquisendo preziose informazioni sui meccanismi biologici stessi. Come spiega Alyssa Hernandez, ricercatrice post-dottorato e coautrice dello studio RoboBee: "Possiamo utilizzare queste piattaforme robotiche come strumenti per la ricerca biologica e condurre studi che testano ipotesi biomeccaniche"
Il futuro della robotica biomimetica promette ulteriori sviluppi affascinanti, poiché i ricercatori continuano ad attingere all'inesauribile fonte di ispirazione della natura per superare le sfide tecnologiche del nostro tempo. Il percorso dall'osservazione dei fenomeni naturali alla loro implementazione tecnologica non è sempre facile, ma come dimostra la storia di successo di RoboBee, può portare a innovazioni rivoluzionarie con il potenziale di rivoluzionare numerosi ambiti della nostra vita.
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