Un prototipo di robot in grado di volare come un drone e poi di trasformarsi mentre è a mezz'aria in un robot con le ruote
L’epoca dei robot Transformer è arrivata. Solo che si chiamano Morphobot, robot-droni in grado di volare e poi di atterrare mentre le ali diventano ruote per spostarsi anche sulla terraferma. Come il celebre anime giapponese, si tratta di un robot che ha una duplice funzione. Certo siamo in una fase ancora molto sperimentale, ma è già eccezionale quello che sono riusciti a sviluppare gli ingegneri del Caltech. Il team, infatti, ha anche realizzato un video in cui si mostrano le caratteristiche del Morphobot.
Questo robot è dotato dell’intelligenza necessaria, per trasformarsi a mezz’aria da un robot simile a un drone ad un robot che si sposta sulle quattro ruote. ATMO, acronimo di Aerially Transforming Morphobot, utilizza quattro propulsori per volare, ma le coperture protettive, diventano le ruote del sistema quando atterra. E tutta l’intera trasformazione si basa su un singolo motore che aziona un giunto centrale che solleva i propulsori di ATMO in modalità drone o li abbassa in modalità guida.
Un progetto unico al mondo
I ricercatori descrivono il robot e il sofisticato sistema di controllo che lo guida in un articolo pubblicato di recente sulla rivista Communications Engineering. “Abbiamo progettato e costruito un nuovo sistema robotico ispirato alla natura, al modo in cui gli animali possono usare il proprio corpo in modi diversi per raggiungere diversi tipi di locomozione“, afferma Ioannis Mandralis, studente laureato in aerospaziale al Caltech e autore principale del nuovo articolo.
L’ingegnere evidenzia che l’ispirazione proviene dagli uccelli che volano e poi modificano la morfologia del loro corpo per rallentare ed evitare gli ostacoli. “Avere la capacità di trasformarsi in aria apre molte possibilità per una maggiore autonomia e robustezza“, conclude Mandralis.
La trasformazione a mezz’aria pone sfide non indifferenti, perché entrano in gioco complesse forze aerodinamiche, sia perché il robot è vicino al suolo, sia perché cambia forma durante la trasformazione.”Sebbene sembri semplice quando si osserva un uccello atterrare e poi scappare, in realtà si tratta di un problema con cui l’ industria aerospaziale lotta da oltre 50 anni“, afferma Mory Gharib, Ph.D., professore di aeronautica e ingegneria medica Hans W. Liepmann.
Forze complesse da affrontare
Questo si verifica perché tutti i veicoli volanti sono soggetti a forze complesse in prossimità del suolo. Pensiamo a un elicottero. Durante l’atterraggio, i suoi propulsori spingono una grande quantità d’aria verso il basso. Quando l’aria colpisce il suolo, una parte rimbalza verso l’alto; se l’elicottero atterra troppo velocemente, può essere risucchiato in un vortice formato dall’aria riflessa, facendogli perdere la portanza.
Nel caso di ATMO, il livello di difficoltà è ancora maggiore. Non solo il robot deve affrontare complesse forze vicine al suolo, ma è anche dotato di quattro getti che modificano costantemente la loro intensità di impatto, creando ulteriore turbolenza e instabilità. Per comprendere meglio queste complesse forze aerodinamiche, i ricercatori hanno condotto dei test utilizzando i cosiddetti esperimenti con celle di carico per vedere come la variazione della configurazione del robot durante l’atterraggio influisse sulla sua forza di spinta. Hanno anche condotto esperimenti di visualizzazione del fumo per svelare i fenomeni sottostanti che portano a tali cambiamenti nella dinamica.
Algoritmi per prevedere il futuro
I ricercatori hanno poi inserito queste informazioni nell’algoritmo alla base di un nuovo sistema di controllo creato per ATMO. Il sistema utilizza un metodo di controllo avanzato chiamato controllo predittivo basato sul modello (MCP), che funziona prevedendo costantemente il comportamento del sistema nel prossimo futuro e adattandone le azioni per mantenerlo in rotta.
“L’algoritmo di controllo è la più grande innovazione di questo articolo“, afferma Mandralis. “I quadrotori utilizzano controller specifici a seconda del posizionamento dei propulsori e del modo in cui volano. Qui introduciamo un sistema dinamico mai studiato prima. Non appena il robot inizia a trasformarsi, si ottengono diversi accoppiamenti dinamici: forze diverse che interagiscono tra loro. E il sistema di controllo deve essere in grado di rispondere rapidamente a tutto questo.”
