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Robotica e IA

PROBOSCIS: gli elefanti ispirano la manipolazione robotica

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PROBOSCIS è un progetto di ricerca europeo iniziato nel novembre del 2019. Entro aprile 2024 si propone di creare delle innovative pinze automatizzate, ispirate al mondo animale. L’obiettivo è quello di studiare la proboscide dell’elefante e le sue capacità, così da poterle integrare in innovativi sistemi robotici utilizzabili sia in ambienti industriali che per il servizio alla persona. Il progetto è guidato dall’Istituto Italiano di Tecnologia ed è supportato da quattro centri di ricerca d’eccellenza internazionali (Italia, Israele, Regno Unito e Svizzera).

Perchè la proboscide dell’elefante affascina l’ingegneria biomedica?

La proboscide è il tratto distintivo dell’elefante, che lo rende un animale unico. In molti pensano che quest’organo sia semplicemente un naso delocalizzato rispetto al muso dell’animale, ma sarebbe una visione semplicistica e riduttiva.

Le funzioni di questo organo sono molteplici e vanno oltre alla mera capacità olfattoria. Tra esse, troviamo la manipolazione di oggetti per portare cibo e acqua alla bocca, la percezione dello spazio e la comunicazione come ad esempio percepire fonti d’acqua da enormi distanze.

Inoltre, l’elefante non è solamente in grado di manipolare grandi oggetti esercitando considerevoli forze, come ad esempio trasportando pesanti tronchi d’albero, ma può anche afferrare oggetti piccoli con encomiabile precisione. Ciò si verifica, tra gli altri, cogliendo una singola foglia da una fronda. Grazie alle centinaia di migliaia di muscoli e agli altrettanti sensori della pelle, la proboscide si rivela un organo fondamentale per la sopravvivenza dell’animale (Figura 1).

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Figura 1. Struttura della proboscide. Credits: Proboscis

PROBOSCIS e la soft-robotics

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Figura 2. Logo PROBOSCIS. Credits: Proboscis

La peculiarità della proboscide ha attratto bioingegneri e ricercatori dell’IIT, che in collaborazione con molte realtà accademiche e l’azienda inglese Photocentric Ltd, hanno dato vita a PROBOSCIS. Si tratta di un progetto di ricerca finanziato dalla Commissione Europea (nell’ambito del programma FET – Future and Emerging Technologies di Horizon 2020) della durata complessiva di 48 mesi (Figura 2).

L’idea del progetto è quella di prendere ispirazione dall’anatomia e dalla morfologia della proboscide dell’elefante africano di savana (Loxodonta africana) per effettuare nuovi studi sui comportamenti dell’animale.

L’obiettivo è quello di sviluppare delle strategie per la manipolazione versatile, completamente nuove nell’ambito della soft-robotics.

A questo scopo, la struttura della proboscide verrà ricostruita per la prima volta in 3D nel dettaglio, attraverso un’attenta analisi con tecniche di microscopia ad alta risoluzione.

PROBOSCIS vuole sviluppare un robot in grado di muoversi in ambienti incerti e non prevedibili, che può adattare prontamente la sua configurazione in funzione delle situazioni che si presentano. Basandosi sull’idea di ottenere un sistema autonomo che sfrutta il tatto per orientarsi nello spazio, il robot deve essere in grado di svolgere una moltitudine di attività di afferraggio.

Tra i vari obiettivi a breve termine del progetto vi sono:

  • progettazione di muscoli artificiali propriocettivi e biomimetici,
  • sviluppo di pelle artificiale bio-ispirata,
  • strategie di sensing 3D più adatte allo scopo,
  • design di materiali multifunzionali,
  • scelta e l’adattamento di tecnologie di fabbricazione 3D,
  • sviluppo di controllo bio-ispirato per manipolazione tattile.

Il rivestimento del robot finale sarà una pelle artificiale (sempre ispirata a quella che ricopre la proboscide biologica) sensibile e resistente a condizioni ostili quali alte temperature e polvere.

  • Abbiamo parlato di muscoli artificiali anche qui e qui.

Studi sull’elefante

Le prime pubblicazioni che riportano risultati quantitativi in merito alle ricerche di cui sopra, spaziano da argomenti quali machine learning, controllo a feedback per il ritorno sensoriale al robot, studi sui materiali o su sistemi di attuazione innovativi, che non lavorino però con link rigidi ma con tecnologie che consentano di ottenere un manipolatore con infiniti gradi di libertà, esattamente come è la proboscide.

Tuttavia, per poter replicare il comportamento di un sistema biologico, occorre comprendere a fondo questo sistema, così da poterlo interpretare e poi imitare artificialmente. Per questo motivo, agli studi prettamente ingegneristici si stanno affiancando degli studi biologici.

Per PROBOSCIS i ricercatori hanno condotto uno studio biomeccanico dell’animale. Utilizzando telecamere e marker posti sulla proboscide a diverse altezze, è emerso che l’elefante utilizza un finito set di movimenti semplici (Figura 3). E’ infatti possibile decomporre le traiettorie compiute dalla proboscide in semplici primitive di movimento come curvatura, torsione e deformazione.

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Figura 3. Sistema di motion-capture 3D con marker e telecamere. Credits: Current Biology

Gli elefanti sono dotati di una struttura biomeccanica complessa come la proboscide, ma ne hanno semplificato il controllo, standardizzandone i movimenti e adattandoli in funzione delle necessità.

Studi di questo tipo consentono di analizzare le metodologie di controllo del robot, riportandole al controllo messo in atto dall’animale.

Conclusioni e sviluppi futuri

Il progetto PROBOSCIS si propone di ottenere dei dispositivi robotizzati innovativi che siano scalabili ed adattabili a diversi contesti. A partire dai primi risultati prodotti, questi robot dovranno adattarsi ad oggetti dalla geometria e dal peso variegato effettuando una manipolazione fine. Tali proprietà li renderanno versatili ed utilizzabili in ambito industriale, sanitario e domestico.

Video di presentazione ufficiale di PROBOSCIS

PROBOSCIS has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement n. 863212


Fonti e approfodimenti:
  • Proboscis – Sito web ufficiale di progetto
  • CORDIS – Proboscidean sensitive soft robot for versatile gripping
  • Current Biology: Elephants evolved strategies reducing the biomechanical complexity of their trunk
  • WIRED: Tutti i segreti della proboscide degli elefanti spiegati in un video
  • Villaggio tecnologico: Al via il progetto PROBOSCIS coordinato da IIT
  • Sant’Anna Magazine: Dallo studio degli elefanti un nuovo paradigma per i robot manipolatori del futuro. L’Istituto di BioRobotica della Scuola Sant’Anna tra i partner del progetto PROBOSCIS coordinato da IIT
  • Ansa: La proboscide dell’elefante ispira nuovi robot manipolatori
  • Scienzainrete: La proboscide artificiale
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Informazioni autore

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Francesca Schettino

Laureanda magistrale in ingegneria biomedica presso l'Università Campus Bio-Medico di Roma, sto svolgendo il mio tirocinio di tesi presso la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa.
Appassionata di tecnologia ed innovazione mi piace coniugare competenze tecniche e capacità comunicative.

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