L’evoluzione dei soft robot

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La soft robotics è un ramo della robotica che si occupa della progettazione e dello sviluppo di robot dai materiali morbidi e flessibili, ispirati alla natura, in grado di interagire in modo più sicuro con l’uomo e l’ambiente esterno. Un settore che continuerà a crescere e a evolversi offrendo opportunità in molti ambiti

A differenza dei robot tradizionali, dalla rigida struttura in metallo o in plastica dura, che spesso si scontrano con limitazioni nell’interazione con gli esseri umani e in ambienti delicati, i soft robot sono una soluzione innovativa per una vasta gamma di applicazioni, dalla sanità all’automazione industriale. Questi robot ‘morbidi’ traggono ispirazione dalla natura, come dimostrano numerosi progetti che imitano le caratteristiche dei tessuti biologici o i movimenti degli animali. Ad esempio, alcuni soft robot si ispirano alla locomozione dei mammiferi marini o alla flessibilità dei polipi. La soft robotics è infatti un ramo affascinante e promettente della robotica che sta conquistando sempre più interesse per le sue capacità di adattamento e versatilità senza precedenti. Si prevede che questo settore continuerà a crescere e a evolversi con il passare del tempo, offrendo opportunità significative per l’innovazione e la commercializzazione di nuove tecnologie e prodotti. Lo sostengono gli analisti di Mordor Intelligence, che in un recente rapporto ‘Soft Robotics Market Size & Share Analysis – Growth Trends & Forecasts (2024 – 2029)’ prevedono una repentina crescita nei prossimi cinque anni. Secondo il report, infatti, le dimensioni del mercato della soft robotics sono stimate a 1,49 miliardi di dollari nel 2024, e si prevede raggiungeranno i 6,53 miliardi di dollari entro il 2029, con un tasso di crescita annuale composto (Cagr) del 34,45% nel periodo di previsione (2024- 2029). Anche un recente rapporto di Protolabs, uno dei principali fornitori di prototipi su misura e pezzi di produzione su richiesta, sostiene che la robotica morbida e l’utilizzo di nuovi materiali saranno al centro dell’evoluzione dell’industria manifatturiera nei prossimi anni, con la promessa di apportare vantaggi significativi in termini di flessibilità, efficienza e sostenibilità. Il rapporto di Protolabs, ‘2023 The Robotics Manufacturing Status Report’, rivela tra l’altro che quasi un terzo (32%) dei principali operatori europei operanti nel settore della robotica e dell’automazione ritiene che la robotica morbida e la nuova tecnologia dei materiali avranno un impatto decisivo sulla produzione nel prossimo futuro e sulla sostenibilità. Il rapporto sottolinea inoltre come la nuova tecnologia dei materiali sia fondamentale per il futuro e avrà tassi di crescita annui del 35,1% tra il 2022 e il 2027, con benefici in molti settori tra cui la biomedicina, l’alimentare e l’agricoltura.

I fattori della crescita

Quali sono i fattori che spingono questa crescita? Innanzitutto la versatilità: i soft robot sono progettati per essere flessibili e adattabili, in grado di affrontare una vasta gamma di compiti e ambienti. La loro capacità di cambiare forma e adattarsi a oggetti delicati li rende ideali per applicazioni in settori come la sanità, l’industria alimentare, la ricerca e l’assistenza agli anziani. Di fondamentale importanza l’aspetto riguardante la sicurezza: grazie alla loro natura morbida e flessibile, i soft robot sono intrinsecamente più sicuri da utilizzare vicino agli esseri umani rispetto ai robot tradizionali, che spesso sono rigidi e possono causare danni in caso di contatto accidentale. E poi non va sottovalutato il grado di automazione che offrono: i soft robot possono migliorare l’automazione in vari settori, consentendo di eseguire compiti ripetitivi in modo più efficiente e affidabile, con una maggiore produttività e una riduzione dei costi operativi. I soft robot sono particolarmente promettenti nel settore medico, dove possono essere utilizzati per interventi chirurgici minimamente invasivi, riabilitazione e molte altre applicazioni. Per esempio, i dispositivi robotici morbidi possono assistere nel trattamento o nella simulazione di condizioni come malattie cardiovascolari, stenosi aortica e disabilità agli arti causate da malattie come la SLA. Hanno il potenziale di migliorare la terapia mirata per la rigenerazione cardiaca nelle malattie cardiache ischemiche, con il vantaggio di essere conformi ai tessuti naturali degli esseri umani e degli organismi viventi. Con l’avanzamento della tecnologia dei materiali e dell’intelligenza artificiale, sono stati sviluppati nuovi materiali e algoritmi che consentono la creazione di soft robot sempre più sofisticati ed efficienti, alimentando ulteriormente la domanda. Gli esoscheletri, per esempio, hanno il potenziale di proteggere gli operatori nei magazzini o in produzione, ma anche di prevenire dolori alle spalle, alla schiena, al collo e da lesioni legate al sollevamento pesante e ripetitivo. In quest’ottica, diversi ricercatori stanno sviluppando robot indossabili morbidi che imitano i movimenti muscolari. Nel settore del food, poi, è interessante lo sviluppo di pinze morbide ad alimentazione pneumatica ideali per alimenti fragili che potrebbero essere danneggiati da robot rigidi: un ambito, questo, con grandi potenzialità.

L’opinione dell’esperto

Per approfondire queste tematiche abbiamo posto alcune domande a Pietro Pustina, dottorando in automatica, bioingegneria e ricerca operativa – curriculum Automatica, del Dipartimento di Ingegneria Informatica, Automatica e Gestionale, dell’Università La Sapienza di Roma (www.uniroma1.it).

In che modo la soft robotics sta cambiando il paradigma dell’interazione uomo-robot, in particolare per quanto riguarda la sicurezza nell’uso quotidiano e in ambienti di lavoro?

Pietro Pustina: La soft robotics rappresenta una promettente frontiera per rivoluzionare il modo in cui interagiamo con le macchine. Rispetto ai robot tradizionali rigidi, i soft robot offrono diversi vantaggi che aprono la strada a nuove possibilità di collaborazione uomo-macchina. Infatti, la flessibilità e il peso contenuto rendono i soft robot più sicuri, implementando un meccanismo di sicurezza passivo e quindi intrinsecamente robusto. In caso di collisione, il rischio di lesioni è ridotto in modo significativo, consentendo di lavorare a stretto contatto con le persone, anche in ambienti non controllati come case o ospedali. Allo stesso tempo, la deformabilità permette a questi robot di adattarsi alle forme e ai movimenti umani, rendendoli più intuitivi e facili da utilizzare. In ambito lavorativo, i soft robot potrebbero collaborare con le persone in modo fluido e sicuro, senza la necessità di barriere di protezione. Inoltre, questi hanno le caratteristiche fisiche per compiere movimenti agili e complessi, impensabili per i robot rigidi, come navigare in ambienti ristretti. Queste caratteristiche possono consentire ai robot di uscire dalle celle di lavoro delle fabbriche ed entrare a far parte della nostra vita quotidiana. Possono assisterci nelle nostre case, aiutarci sul lavoro e svolgere una varietà di compiti in modo sicuro, efficiente e collaborativo.

Quali sono le applicazioni più promettenti e a quali ambiti si riferiscono?

Pustina: La soft robotics ha il potenziale di migliorare diversi aspetti della nostra vita, dalla salute alla sicurezza sul lavoro. In ambito biomedico, i soft robot aprono la strada a protesi e ortesi più leggere, confortevoli e funzionali, migliorando la qualità della vita di persone con disabilità. Grazie alla flessibilità e adattabilità, la riabilitazione fisica può beneficiare di terapie assistite più sicure e personalizzate. Inoltre, in chirurgia mini-invasiva e nella somministrazione localizzata di farmaci, la morbidezza e l’elevata biocompatibilità di questi robot aprono la strada a interventi meno invasivi e quindi più sicuri. In ambito industriale, i soft robot potrebbero ispezionare e riparare macchinari e ambienti difficili da raggiungere per gli esseri umani o per i robot tradizionali, come motori aeronautici, centrali nucleari, piattaforme offshore ed edifici crollati. Infatti, la loro capacità di adattarsi a spazi ristretti e di resistere a condizioni ambientali avverse li rende ideali per questo tipo di compiti. Le applicazioni della soft robotics non si esauriscono qui: questa tecnologia ha il potenziale per rivoluzionare molti altri settori, come l’agricoltura, l’edilizia e l’esplorazione spaziale.

Quali materiali innovativi sono comunemente utilizzati nella costruzione di robot morbidi?

Pustina: La soft robotics è caratterizzata dall’utilizzo di numerosi materiali, che sono scelti a seconda del tipo di applicazione. Gli elastomeri, come silicone, lattice e poliuretano, sono comunemente impiegati per la loro flessibilità e resistenza. La necessità di avere attuatori leggeri e integrabili direttamente nel corpo del robot spesso motiva l’impiego dei materiali a memoria di forma. Questi sono utilizzati per creare robot in grado di deformarsi in modo continuo in risposta a stimoli esterni come variazioni di temperatura o potenziale elettrico. Inoltre, sono disponibili materiali biocompatibili, come gli idrogeli e il collagene, particolarmente adatti per applicazioni biomediche. Vale la pena menzionare anche i magneti morbidi, utilizzati per realizzare robot la cui forma può essere modellata di volta in volta.

Quali sono le principali sfide tecniche nella progettazione e nella fabbricazione di questi dispositivi?

Pustina: Attualmente non esistono approcci universali per la progettazione dei soft robot. Spesso vengono impiegati software CAD, sebbene questi siano limitati nella modellazione di corpi deformabili. Prendendo ispirazione dalla natura, alcuni ricercatori utilizzando approcci automatici basati su algoritmi evolutivi. La fabbricazione di un soft robot può essere complessa e costosa, specialmente nell’ottica di una produzione su larga scala. Garantire un elevato standard qualitativo su tutti i pezzi prodotti risulta ad oggi particolarmente difficile. Esistono diverse tecniche di fabbricazione, tra cui la stampa 3D, che è ampiamente utilizzata per creare calchi o direttamente robot con materiali flessibili, oltre a SDM e alla litografia morbida (soft litography). Spesso, queste tecniche vengono combinate per ottenere processi produttivi più sofisticati.

A quali soluzioni state pensando?

Pustina: Le sfide della soft robotics non riguardano solo i materiali, ma anche i sensori e il controllo. La mia ricerca si concentra su quest’ultimo aspetto e più in particolare sullo sviluppo di nuovi modelli e algoritmi per il controllo. In questo ambito, la soft robotics ha rivoluzionato il paradigma della robotica tradizionale dalla ‘progettazione per performance, controllo per sicurezza’ alla ‘progettazione per sicurezza, controllo per performance’. Infatti, deformabilità e morbidezza rendono questi robot intrinsecamente più sicuri ma, allo stesso tempo, significativamente più difficili da controllare. Per renderli veramente operativi nel mondo reale, è indispensabile dotarli di un’intelligenza capace di sfruttare al meglio le loro caratteristiche fisiche. Attualmente, il mio lavoro si concentra sul problema del controllo della forma, ovvero su come far assumere a questi robot forme desiderate. È un compito che i soft robot ancora non riescono a svolgere con affidabilità, ma rappresenta un tassello fondamentale per eseguire movimenti più complessi e versatili.

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