Materiali viventi e robot collettivi: quando i robot assumono le caratteristiche della materia

Come possono, i vari stati delle cellule, spiegare il modo in cui i robot possono passare da uno stato a un altro?

I ricercatori della UC Santa Barbara, e della TU Dresden, stanno spingendo i confini fra robotica e scienza dei materiali. Attraverso, infatti, un collettivo di robot, simile a una certa sostanza, hanno creato un proof-of-concept, che presenta comportamenti ispirati alla biologia. I membri di questo collettivo, sono robot autonomi di piccole dimensioni, simili a dischi da hockey, combinantisi per formare strutture con proprietà materiali. E il cui studio promette di rivoluzionare il modo nel quale comprendiamo e utilizziamo i materiali intelligenti.

Una delle principali sfide per i ricercatori è stata la creazione di un materiale che fosse contemporaneamente rigido e forte, ma in grado di fluire (qualora fosse necessario), così da assumere una nuova forma. E diversamente da materiali che rispondono a forze esterne, i ricercatori hanno sviluppato un sistema in cui i robot rispondono a segnali interni, modellando la loro forma, e fluendo selettivamente per assumere nuove configurazioni. Approccio, questo, che apre dunque la strada alla progettazione di materiali più dinamici e adattivi.

L’ispirazione, per questo progetto, proviene dal lavoro precedente di Otger Campàs, ex professore dell’UCSB, il quale ha studiato come gli embrioni si modellano fisicamente. Esempi straordinari di materiali intelligenti, che hanno la capacità di auto-formarsi, auto-guarirsi, e adattarsi nel tempo. Durante lo sviluppo, le cellule embrionali si spostano fra stati fluidi e solidi, in un fenomeno noto come “transizioni di rigidità”, stato utilizzato come base teorica per il comportamento dei robot.

Proprio negli embrioni, le cellule si organizzano spontaneamente, trasformando un aggregato di unità biologiche indifferenziate, in un organismo con forme e consistenze differenti. E dato questo, i ricercatori hanno analizzato tre processi fondamentali, che consentono siffatte transizioni: ovvero, le forze attive che permettono il movimento delle cellule; la segnalazione biochimica, che coordina il loro comportamento nello spazio e nel tempo; e l’adesione fra cellule, che conferisce rigidità alla struttura finale. Principi, in definitiva, stati trasferiti al mondo dei robot.

Applicazione delle forze cellulari nella robotica

Nel caso appunto dei robot, le forze cellulari son tradotte in forze tangenziali, fra le unità robotiche, grazie a ingranaggi motorizzati che gli permettono di spostarsi l’uno intorno all’altro. Un’interazione che simula il movimento delle cellule negli embrioni, permettendo quindi agli androidi di scorrere e modificare la loro disposizione in spazi stretti. Aumentando, di conseguenza, la flessibilità del collettivo; e consentendogli la formazione di strutture più dinamiche e adattabili.

Il sistema di coordinazione nei robot, si ispira alla segnalazione biochimica presente nelle cellule. Ogni robot è dotato di sensori di luce, i quali interpretano la polarizzazione della luce per determinare la direzione in cui girare: permettendo al collettivo, di cambiare forma. Meccanismo simulante il comportamento delle cellule, che “sanno” come applicare forze, in base alla loro posizione nel collettivo. Tale che quello dei robot, reagisca in modo coordinato a vari stimoli, come fosse un tessuto biologico.

Fluttuazioni nei segnali, e adattamento del collettivo

Le fluttuazioni nei segnali inviati ai robot, giocano un ruolo cruciale, nella loro capacità di modellare la forma e la forza. Fluttuazioni che permettono al collettivo di passare da uno stato rigido a uno fluido, adattandosi rapidamente a nuovi compiti o ambienti. Ragion per cui, il sistema beneficia di un consumo energetico ridotto, in quanto il collettivo utilizza potenza in modo efficiente. Attivando forze dinamiche solo quando necessario, e senza un continuo stimolo esterno.

Siffatta ricerca, segna un passo importante verso la creazione di materiali robotici intelligenti, che possano supportare carichi pesanti, rimodellarsi, e persino auto-guarirsi. E nonostante il prototipo attuale consista in un piccolo numero di robot, le simulazioni suggeriscono che il sistema possa esser scalato per produrre collettivi più grandi e miniaturizzati. Tecnologie che potrebbero, dunque, fornir nuove intuizioni sulla fisica dei materiali attivi, e sulla biologia, aprendo la strada a inedite applicazioni: nei settori della medicina, della progettazione dei materiali, e così via.