Il Bionic Learning Network è una rete di collaborazione tra la Festo e alcune importanti università, istituzioni e società di sviluppo, attraverso la quale a partire dal 2006 la multinazionale tedesca ha promosso e promuove idee e innovazioni che superano i confini delle sue principali aree di attività – automazione e didattica – e rappresentano gli sviluppi del futuro. Ma già dall’inizio degli anni ‘90 Festo ha investito grandi risorse nella bionica, ponendo le basi per lo sviluppo di sistemi robotici “biologicamente” ispirati. «Il Bionic Learning Network è strettamente connesso con i processi innovativi insiti nella nostra impresa – dice a ilsussidiario.net Roberto Siccardi, Solution Engineering Sales Team Manager di Festo – e costituisce una parte fondamentale del nostro impegno nel settore della formazione e qualificazione tecnica». Il core team, composto da ingegneri, progettisti, biologi e studenti, lavora a stretto contatto con specialisti di altri reparti e con partner esterni di tutto il mondo. Questo modo di lavorare aperto e interdisciplinare offre nuove prospettive e ispirazioni per le applicazioni industriali.
Quali sono le ragioni che rendono i modelli biologici interessanti per un progettista di robot?
La bionica offre nuovi approcci allo sviluppo dei prodotti. La scienza applicata, che ricava informazioni dalla natura e trasferisce questa conoscenza alla tecnologia, è un campo del futuro. La bionica made by Festo si occupa di capire i meccanismi della natura per poterli trasferire alle applicazioni tecniche. Questo renderà i movimenti automatizzati persino più efficienti e produttivi. I nostri ingegneri traggono ispirazione e insegnamenti dagli innumerevoli esempi di soluzioni intelligenti presenti in natura. Costruzioni leggere, integrazione di funzioni ed efficienza energetica sono solo alcuni degli esempi di come la tecnologia può imparare dalla natura.
Come si è sviluppata la collaborazione tra biologi e ingegneri?
I progetti vengono condotti da team interdisciplinari: ingegneri, specialisti di informatica, progettisti e biologi. A seconda del tipo di progetto questo core team è supportato da specialisti dei diversi reparti, per esempio specialisti della teoria di controllo del reparto R&D, oppure specialisti di sinterizzazione laser selettiva del reparto di prototipizzazione rapida. Infine lavoriamo in stretta collaborazione con qualificati istituti di ricerca di tutto il mondo. Grazie a questa attività interdisciplinare riusciamo a incorporare le più attuali conoscenze acquisite dalla ricerca e dalla tecnologia nei modelli dimostrativi presentati all’interno del Bionic Learning Network.
Quali modelli animali sono stati di maggiore ispirazione: pesci, uccelli, quadrupedi…?
Per molto tempo è stato praticamente impossibile sollevare oggetti con superfici lisce senza l’ausilio di pinze o della tecnica del vuoto. Cercando una soluzione a questo problema, un partner della rete ha trovato un interessante modello biologico nel geco. Questo animaletto è in grado di arrampicarsi su superfici lisce come specchi e persino stare sospeso a testa in giù senza usare molta energia. Minuscole forze di attrazione intermolecolare, chiamate forze di van der Waals, vengono generate da circa 29.000 elementi di presa per cm², che permettono ad ogni singola zampetta di trattenere un peso pari a numerose volte quello del geco. Sull’esempio del geco è nata la pinza NanoForceGripper, che esegue la presa di oggetti lisci utilizzando poca energia e il rilascio senza lasciare alcun residuo, per mezzo di una speciale pellicola che simula questi elementi adesivi e di uno speciale meccanismo di rilascio.
Altri esempi?
Un esempio interessante è dato dal cosiddetto Fin Ray Effect, basato sul comportamento della pinna caudale dei pesci, che reagisce alla pressione con una contropressione, invece di allontanarsi. L’osservazione di questo modello biologico ha portato allo sviluppo di una pinza adattiva. I ricercatori ne hanno sviluppato il principio tecnico di funzionamento sulla base del modello naturale. Gli ingegneri hanno testato questa funzione attraverso diverse prove con oggetti bionici capaci di nuotare e volare, prima di arrivare a sviluppare un’applicazione reale in ambiente industriale. Ancora. Per il Bionic Tripod, prototipo della cinematica parallela, i progettisti hanno sviluppato il predecessore in forma di una “mano” di presa, completa e adattiva, che permette la presa sicura e delicata di oggetti fragili e di forma irregolare, senza rischio di romperli. Grazie alla forza applicata per accoppiamento geometrico all’area di presa, questo componente è ideale per la manipolazione di componenti e oggetti sensibili alla compressione, come nel caso dell’industria alimentare.
Quali sono le principali tecnologie applicate nei robot bionici?
All’interno dell’approccio innovativo aperto, tipico del Bionic Learning Network, le più recenti scoperte e le attuali tecnologie dai diversi settori della ricerca confluiscono nello sviluppo di modelli dimostrativi bionici e nella progettazione di prodotti innovativi. Comunque tengo a sottolineare che per noi la bionica non è da confondere con la biomimetica. Il nostro obiettivo non è quello di copiare la natura ma di trarre ispirazione e insegnamento dagli innumerevoli esempi di soluzioni intelligenti presenti in natura. In questa ottica la natura può dare importanti impulsi per un grande numero di settori applicativi; può essere utilizzata per progettare spazi di lavoro in modo ottimale, per gestire un team o ancora per migliorare applicazioni tecnologiche, che è il settore di interesse per eccellenza di Festo. L’evoluzione biologica può essere descritta come una strategia di ottimizzazione per l’adattamento degli organismi all’ambiente che li circonda, che porta a soluzioni altamente efficienti sotto il profilo energetico. Cosa potrebbe essere più ovvio che trasferire questi principi allo sviluppo di nuovi metodi e processi tecnologici e scoprire che cosa possa essere utilizzato in automazione?
Come progettisti, cosa state “imparando” dalla natura?
All’interno del Bionic Learning Network ci lasciamo ispirare dalla natura e impariamo ad attingere al vasto patrimonio di soluzioni intelligenti. Costruzioni leggere, integrazione di funzioni ed efficienza energetica sono solo alcuni degli esempi di come la tecnologia può imparare dalla natura. La bionica può influenzare l’automazione in modi diversi e sempre affascinanti. Nel contesto della tecnologie bio-ispirata, criteri come flessibilità, peso minimo in relazione alla massa movimentata e consumo energetico stanno acquistando una crescente rilevanza. La natura ci mostra in mille modi diversi come sia possibile raggiungere la massima performance con un minimo consumo di energia. Strategie di ottimizzazione, come costruzioni leggere, efficienza energetica e integrazione di funzioni sono incluse in molti dei nostri modelli bionici dimostrativi, come per esempio lo SmartBird oppure il Bionic Handling Assistant. Un altro aspetto è la comunicazione. Tutti gli animali comunicano tra loro per esempio a scopo di alimentazione o riproduzione. Questo richiede la produzione, la percezione e l’elaborazione di segnali in modo affidabile. Con le sue meduse AquaJelly abbiamo fatto il primo passo verso la comunicazione intelligente applicata al campo dell’automazione e della produzione. Come le meduse AquaJelly comunicano tra loro, allo stesso modo i robot dell’automazione di processo in futuro saranno in grado di parlarsi tra loro.
Stiamo parlando di idee e prototipi o anche di prodotti concreti?
Oltre a temi più concettuali come l’efficienza energetica e la comunicazione, siamo riusciti anche a integrare la bionica nello sviluppo di prodotti concreti, come alcuni di quelli che ho già nominato. La meccanica dei muscoli umani è alla base dello sviluppo di un muscolo pneumatico; questi muscoli sono stati integrati in numerosi oggetti come per esempio PowerGripper, Airacuda o Airic’s_arm. Il complesso profilo di movimento della pinna è stato adattato tecnicamente ed è ora implementato nella pinza adattiva, integrata nel Bionic Handling Assistant, nel Robotino XT e in molti altri modelli dimostrativi. Inoltre la sofisticata meccanica che permette ai gechi di arrampicarsi su superfici lisce come specchi, è stata studiata, compresa e trasferita nel NanoForceGripper, un sistema di presa ad alta efficienza, in grado di prelevare e rilasciare superfici lisce senza lasciare impronte o graffi.
Per la produzione dei manufatti utilizzate anche stampanti 3D?
La stampa 3D è uno strumento importante per sviluppare progetti del Bionic Learning Network. Il BionicOpter ispirato dal volo della libellula è stato sviluppato per esempio nel giro di un anno. Inizialmente l’idea è scaturita dall’osservazione della natura e quindi è stata implementata tecnicamente. Per verificare se l’idea funzionava, abbiamo stampato direttamente il prototipo e l’abbiamo testato. In questo modo abbiamo potuto rilevare vantaggi e inconvenienti della nostra soluzione tecnica. Quindi abbiamo studiato nuovamente il modello naturale e cercato di migliorare corrispondentemente la nostra soluzione. Gli insegnamenti appresi dal prototipo ci hanno permesso di comprendere meglio il volo della libellula e questo a sua volta ci ha permesso di costruire un secondo prototipo. Il processo di osservazione della natura e trasferimento di quanto studiato ad un modello tecnico è un processo iterativo con numerosi step intermedi. Ogni cosa è stata testata utilizzando prototipi stampati in 3D. Solo i sistemi di rapid manufacturing ci hanno consentito di realizzare prototipi in tempi brevi e arrivare a realizzare il volo del BionicOpter nel giro di un anno.
Quali sono le applicazioni principali?
Ne citerò solo alcune. Il più conosciuto esempio dell’applicazione di un principio presente in natura al mondo dell’ingegneria è il Bionic Handling Assistant, la cui struttura, con braccio articolato e pinza, e la modalità di funzionamento sono basate su quelle della proboscide di elefante. 11 gradi di libertà permettono diversi profili di movimento secondo le esigenze applicative. La struttura pneumatica a soffietto è estremamente leggera e performante, e garantisce l’interazione uomo e macchina in condizioni di sicurezza. In caso di collisione, il sistema si allontana immediatamente e così, a differenza dei robot convenzionali impiegati in fabbrica, non richiede protezioni di sicurezza. Per i nostri ricercatori e sviluppatori, il sistema serve anche da piattaforma meccatronica di sviluppo che combina diverse tecnologie e numerosi componenti. Il sistema è controllato dalla piattaforma di automazione CPX. Sensori SMAT rilevano i profili di movimento e la posizione della struttura a soffietto, la cui pressione è controllata per mezzo delle nostre valvole proporzionali. Nel 2012, il Bionic Handling Assistant è stato dotato delle funzioni di riconoscimento vocale e di immagini, grazie alle quali il sistema è in grado di afferrare oggetti senza necessità di programmazione o operazione manuale. In questo modo forniamo nuove risposte alla questione su come l’interazione uomo-macchina possa essere resa semplice, efficiente e soprattutto sicura per la fabbrica di domani.
Altre applicazioni?
Il già citato Robotino XT è stato creato durante lo sviluppo del Bionic Handling Assistant, quando abbiamo progettato una versione compatta della proboscide e l’abbiamo installata sul sistema mobile di apprendimento Robotino. Festo Didactic sta attualmente utilizzando la piattaforma robotica nell’ambito di progetti di ricerca in alcune università internazionali selezionate, coinvolte nello sviluppo di sistemi di controllo indipendenti e nell’implementazione di una gamma diversificata di applicazioni della robotica dei servizi. Essendo un sistema aperto, il Robotino può essere impiegato per insegnare i fondamentali della tecnica di azionamento e comando, della sensorica e della cinematica in un modo pratico ed entusiasmante, con un effetto altamente motivante su giovani. Infine citerei la pinza adattiva DHDG utilizzata sul Bionic Handling Assistant: è il primo prodotto a compiere il salto da un “future concept” alla produzione in serie. La pinza, che assicura una presa delicata di oggetti e beni fragili e di forma irregolare, viene ora commercializzata in tre taglie. La pressione minima che la pinza DHDG applica sulle superfici di presa, è ideale per la manipolazione di componenti sensibili alla compressione. Stiamo sviluppando le dita di presa in prodotti di serie, con la sigla DHAS.
Ci può descrivere le ultime innovazioni sviluppate?
Uno degli ultimi progetti bionici, presentato per la prima volta nell’aprile 2014, è il Bionic Kangaroo. Qui abbiamo riprodotto tecnicamente la singolare modalità di movimento del canguro. Come il suo modello naturale, ha la particolare capacità di recuperare e accumulare l’energia, e rilasciarla nel salto successivo. Nel canguro artificiale, Festo combina la tecnica di azionamento elettrico e pneumatico per realizzare un sistema altamente dinamico. La cinematica di salto unita a una precisa tecnica di controllo assicurano la stabilità durante il salto e l’atterraggio. La costruzione leggera facilita questo singolare comportamento di salto. Il sistema è controllato da gesti. Abbiamo dedicato particolare attenzione alla questione del rifornimento di energia mobile sul canguro artificiale. A tale scopo il team ha sviluppato addirittura due diversi sistemi, uno con un compressore integrato e un altro con un dispositivo di stoccaggio mobile ad alta pressione. L’animale artificiale ha di conseguenza un peso molto contenuto, di soli 7 kg per un’altezza di circa 1 metro, e può effettuare salti di 80 centimetri in lunghezza e 40 in altezza.
