Costruire un robot per imitare le piante
Molti di noi probabilmente immaginano i robot con una forma grossolanamente umana - come negli innumerevoli film di fantascienza - o forse simili ai computer portatili. Ma un progetto finanziato dall'UE si sta ispirando alle strategie intelligenti ed efficienti delle piante, al fine di sviluppare una nuova generazione di robot e tecnologie TIC, come il rilevamento o l'intelligenza adattiva distribuita. In particolare, le radici delle piante sono ottimi scavatori naturali, sottolinea la dott.ssa Barbara Mazzolai del Centro di Micro-BioRobotica (CMBR) dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), coordinatrice del progetto. Le caratteristiche delle radici - come la crescita adattiva, i movimenti ad alta efficienza energetica e la loro capacità di penetrare il terreno da qualsiasi angolazione - sono interessanti da un punto di vista ingegneristico, spiega. In realtà, a causa del loro stile di vita sessili, le piante hanno sviluppato la capacità di rispondere a una vasta gamma di segnali e di adattarsi efficacemente alle mutevoli condizioni ambientali. I materiali vegetali sono ottimizzati per ridurre il consumo di energia durante il movimento e queste funzionalità offrono una miriade di soluzioni per il mondo della robotica, utilizzando approcci che sono privi di attività muscolare e quindi non necessariamente animali. Research*eu rivista dei risultati ha chiesto alla dott.ssa Mazzolai di parlare del suo lavoro nell'ambito del progetto PLANTOID. Quali sono i temi e gli obiettivi principali del progetto PLANTOID? L'obiettivo del progetto è quello di progettare, prototipare e validare una nuova generazione di sistemi robotici, nonché tecnologie TIC hardware e software, ispirati alle radici delle piante. Proprio come le loro controparti naturali, questi sistemi robotici hanno una percezione, attuazione e intelligenza distribuite per eseguire compiti di esplorazione e monitoraggio del suolo. In questo progetto stiamo studiando molte caratteristiche delle piante e delle loro radici, tra cui: la capacità di crescita e movimento in risposta a stimoli esterni, la crescita dalla punta della radice aggiungendo cellule e la produzione di peli laterali per ridurre l'attrito e la pressione necessaria per penetrare nel suolo, le capacità sensoriali per rilevare una gamma di differenti grandezze fisiche e chimiche nell'ambiente, l'attività osmotica utilizzata per innescare movimenti veloci o guidare movimenti lenti nelle piante e il comportamento risultante dal coordinamento delle radici di tutto l'organismo per raggiungere obiettivi ottimali. Cosa c'è di nuovo o innovativo nel progetto ? Le piante sono state raramente considerate come un modello di ispirazione per la progettazione e lo sviluppo di nuove tecnologie, soprattutto nel campo della robotica. Ciò è probabilmente dovuto ai loro principi operativi radicalmente diversi rispetto agli animali e alle difficoltà incontrate nello studiare i loro movimenti e le loro caratteristiche. Di conseguenza, le piante sono spesso considerate come organismi passivi, che non sono in grado di muoversi, comunicare e allontanarsi da un ambiente ostile. Il primo aspetto innovativo di questo progetto è quello di osservare le piante da un'altra prospettiva e di prendere in considerazione le loro proprietà strutturali, funzionali e fisiologiche come fonte di ispirazione rivoluzionaria nel campo della robotica e delle tecnologie TIC. Le piante si basano su strategie evolutive tese a ridurre il consumo di energia e ottimizzare l'uso delle risorse disponibili. PLANTOID è il primo robot progettato per crescere proprio come fanno le radici delle piante, utilizzando strategie simili per penetrare ed esplorare il terreno in modo energeticamente efficiente. Qual è stata la prima cosa che l'ha spinta a ispirarsi alla natura per la progettazione tecnologica? Il mio obiettivo personale nel campo della biorobotica è quello di comprendere meglio la natura e il funzionamento degli esseri viventi, al fine di concettualizzare, progettare e fabbricare nuovi dispositivi artificiali e robot bio-ispirati. L'approccio che seguo è quello di selezionare prima i sistemi biologici - piante, in questo caso - che possiedono le caratteristiche che vogliamo implementare nei robot. Poi identifichiamo ed estraiamo i principi fondamentali che sono alla base di tali funzioni biologiche e li traduciamo in una soluzione tecnologica. Allo stesso tempo, il mio obiettivo è quello di aumentare la conoscenza dei sistemi biologici che usiamo come modelli. A tal fine, non si può semplicemente copiare la natura, ma piuttosto si devono selezionare con attenzione i modelli biologici dai quali i principi di base possono essere estratti e tradotti in un dispositivo artificiale. Quali sono le difficoltà che avete incontrato e come le avete risolte? Muoversi in un ambiente non strutturato come il suolo richiede nuovi approcci. Il nuovo concetto proposto - un robot che cresce come le radici di una pianta - penetra il suolo estendendo la propria struttura con una tecnica additiva di stratificazione. Vengono depositati strati di nuovo materiale adiacenti alla punta del dispositivo per produrre una forza motrice in punta e una struttura tubolare cava che si estende alla superficie del terreno. L'aggiunta di materiale alla punta riduce l'attrito quasi a zero, in quanto i lati del tubo non si muovono, riducendo il consumo di energia necessaria per la penetrazione del suolo. Quali sono i risultati concreti della ricerca fino a questo momento? Il primo prototipo PLANTOIDE comprende due radici funzionali. Una atta a produrre una crescita artificiale e a penetrare nel terreno tramite un processo additivo di materiale. L'altra a fornire capacità di flessione in tre direzioni: i sistemi sensoriali per la temperatura, l'umidità, la gravità e il tatto, e l'elettronica necessaria per il condizionamento dei sensori e il controllo dell'attuazione. Le due radici sono integrate in un tronco contenente una scheda principale microcontrollore con capacità di comunicazione. I rami del tronco integrano foglie artificiali realizzate con materiali che "rispondono" al mutare delle condizioni ambientali (ad es. umidità e temperatura). Questo risultato prelude a studi più complessi sulla struttura gerarchica delle pareti cellulari delle piante. In termini di componenti, sono stati sviluppati nuovi attuatori osmotici che possono essere utilizzati come componenti di per sé (ad es. per un rilascio passivo di farmaci) o applicati per ottenere la piegatura della radice robotica. Più sensori saranno integrati nella radice robotica per rilevare i seguenti parametri: gravità, temperatura, tatto, umidità, sodio (Na+), potassio (K+), pH, nitrato (NO3) e fosfati. Quali vantaggi comporta la partecipazione a un tale progetto dell'UE? I progetti europei come PLANTOIDE offrono l'opportunità di integrare diverse competenze e capacità, aumentare la multidisciplinarietà, risolvere problemi complessi e di stabilire nuove collaborazioni scientifiche e tecnologiche. Inoltre, questi progetti rappresentano un'occasione di formazione per i giovani ricercatori che sono disponibili ed esposti ad un contesto europeo. Quali sono i prossimi passi del progetto, o i prossimi temi della sua ricerca? I prossimi passi saranno focalizzati sull'integrazione delle funzioni individuate in un'unica radice robotica, che incorpora sensori, attuatori, unità di controllo, una parte di allungamento/crescita e una parte di piegatura. Le radici robotiche saranno in grado di penetrare e muoversi nel terreno, guidate dalla gravità o dalla vicinanza di acqua o altre sostanze chimiche. Dal punto di vista ingegneristico, il nostro obiettivo è quello di sviluppare nuovi robot flessibili ispirati alle piante, in grado di crescere con l'aggiunta di nuovi materiali. Ciò richiederà lo sviluppo e l'uso di nuovi sensori flessibili basati su materiali morbidi, nonché il controllo distribuito e architetture robotiche. Un interessante argomento di studio sono le strutture vegetali che sfruttano l'energia ambientale esterna per spostare o implementare strategie di movimento efficienti. Un'altra questione importante che intendiamo affrontare è se le piante mostrano un comportamento intelligente. Una definizione semplice di intelligenza vegetale potrebbe essere la crescita e lo sviluppo adattivamente variabili durante la vita del singolo. Sfruttando le capacità di adattamento delle piante, si potrebbe giungere allo sviluppo di dispositivi intelligenti non solo capaci di percepire, ma anche di seguire gli stimoli e prendere decisioni per svolgere i compiti richiesti. Le applicazioni di tali tecnologie ispirate alle piante comprendono il monitoraggio del suolo e l'esplorazione della contaminazione o di depositi minerali - sia sulla terra, sia su altri pianeti - ma potrebbero includere anche applicazioni mediche e chirurgiche, quali nuovi endoscopi flessibili, capaci di muoversi e crescere in organi umani delicati.
