Come i robot serpente marini imitano la natura?

Immagina un robot che si muove come un anguilla, ondulando il corpo per nuotare in acqua. Questo non è fantascienza: i ricercatori stanno sviluppando robot continui ispirati alla locomozione anguilliforme, un modo molto efficiente di nuoto usato da pesci serpente. Il robot ha sei segmenti attuati da muscoli artificiali pneumatici, simili a quelli che muovono i veri animali. Il problema? Stabilire la direzione di un corpo che ondula è complesso. Per risolvere questo, i ricercatori usano tecniche come la decomposizione modale dinamica (DMD) e l'incorporamento con ritardo variabile complesso (CDE). Queste aiutano a prevedere dove andrà il robot. Per cambiare direzione, si applica un'ipotesi: se si attivano asimmetricamente i lati sinistro e destro, si creano velocità del fluido leggermente diverse, deviando il movimento. Con simulazioni in COMSOL Multiphysics, hanno mostrato che il robot può mantenere una nuoto dritto con un tempo di assestamento di circa 60 secondi. Questo potrebbe rivoluzionare i robot marini autonomi per esplorazioni oceaniche.

La locomozione anguilliforme rappresenta una delle forme più complesse di movimento nell'ambito della biorobotica, caratterizzata da un'ondulazione corporea completa che coinvolge interazioni dinamiche tra fluidi e strumenti. Il modello sviluppato si basa su un corpo continuo composto da sei segmenti, ciascuno attuato da un muscolo artificiale pneumatico (PAM). Questi PAM forniscono una certa flessibilità e forza, replicando fedelmente le contrazioni muscolari degli animali reali. La previsione del movimento è ottenuta tramite una tecnica chiamata decomposizione modale dinamica (DMD), che estrae le mode dominanti dal comportamento del sistema. Per migliorare la previsione, è stata integrata una metodologia chiamata incorporamento con ritardo variabile complesso (CDE), che cattura meglio le dinamiche temporali non lineari. L'attuazione asimmetrica tra i lati sinistro e destro del robot genera differenze di pressione nel fluido circostante, permettendo il controllo direzionale. Le simulazioni sono state condotte utilizzando COMSOL Multiphysics 6.2, un software avanzato per la modellazione multifisica. I risultati mostrano che il modello CDE-DMD è in grado di prevedere con precisione la traiettoria del robot in diversi scenari. Inoltre, l'integrazione del modello predittivo con la strategia di attuazione asimmetrica ha permesso di sviluppare un controllo in retroazione (closed-loop) che mantiene la stabilità direzionale. Nei test con posizione iniziale non nulla (risposta al gradino), il robot è riuscito a tornare a nuotare dritto con un tempo di assestamento di circa 60 secondi. Questo tipo di controllo potrebbe essere applicato a futuri robot marini per missioni di monitoraggio ambientale, ispezione di infrastrutture subacquee o esplorazione oceanica profonda.