Un fossile come amico

Realizzare un robot dotato di gambe non è semplice come sembra. Coordinare il movimento di tutte le articolazioni per ottenere movimenti fluidi, simili a quelli dei veri animali, richiede una progettazione avanzata e un'attenta osservazione degli animali in movimento. Ma come facciamo se non sappiamo esattamente qual è l'aspetto dell'animale o come si muove perché si è estinto da 300 milioni di anni?

Questa è la storia di Orobates pabsti, un tetrapode primitivo vissuto milioni di anni prima dei dinosauri. Le ossa fossilizzate sono state ritrovate nel 2004 nell'attuale Germania. L'eccellente stato di conservazione delle ossa fossilizzate, quasi compete e articolate, è stato completato dalle impronte fossilizzate trovate nella stessa regione. Questo ha permesso agli ingegneri del laboratorio di biorobotica dell'EPFL come me (in collaborazione con Tomislav Horvat e Auke Ijspeert) e a un grande team di biologi (guidati da John Nyakatura all'Università Humboldt di Berlino) di ricostruirne la locomozione utilizzando un robot.

Perché la locomozione dell'Orobates è importante? L'Orobates è un candidato ideale per comprendere l'evoluzione dei vertebrati terrestri (compresi noi umani). Questi animali rappresentano il passaggio da uno stile di vita anfibio ai vertebrati terrestri in grado di deporre uova nel terreno. Nell'albero evolutivo questo li colloca tra gli anfibi e gli animali più evoluti tra cui rettili, uccelli e mammiferi. Pertanto è sembrato fondamentale studiare se l'Orobates potesse camminare sulla terra, ad esempio, per chiarire una volta per tutte quando in quale momento la terra ferma è stata finalmente colonizzata dagli animali. Gli esperimenti di locomozione con gli animali viventi sono difficili, con un animale estinto sono impossibili. Dovevamo trovare un modo per ricostruire in modo obiettivo la locomozione dell'Orobates. Abbiamo pensato che la simulazione al computer fosse un buono strumento ma è difficile simulare la locomozione su gambe. L'impatto intermittente delle gambe con il suolo, la frizione da contatto e la dinamica generale del corpo in movimento dell'Orobates richiedevano una verifica nel mondo reale per essere validi. Per questo motivo abbiamo ricostruito il fossile dell'Orobates con un robot fisico. Il robot era una versione in scala del fossile, pari quasi al doppio delle sue dimensioni. La distribuzione della massa e altri parametri rilevanti per la dinamica, quali la velocità in cui il robot deve muoversi, sono stati accuratamente studiati per avere una rilevanza biologica e ingegneristica.

Avendo costruito questo robot siamo riusciti a testare una serie di possibili andature che si presume fossero quelle dell'Orobates quando era in vita. Abbiamo osservato altri animali moderni la cui morfologia è simile a quella dell'Orobates, come la salamandre, il caimano, l'iguana e lo scinco. Abbiamo notato che le loro andature differiscono per l'altezza del corpo, il range di movimento della colonna vertebrale e le rotazioni delle zampe in fase di oscillazione. Queste caratteristiche creano uno spazio in cui è stato possibile confrontare i dati degli animali viventi e le possibili andature del robot. Abbiamo testato una serie di andature in questo spazio per trovare l'andatura più stabile ed energeticamente efficiente che utilizza schemi della forza simili a quelli degli animali viventi e la cui precisione corrisponde largamente alle impronte. Abbiamo scoperto che l'andatura più verosimile dell'Orobates era simile a quella del caimano. Abbiamo capito quindi che la loro locomozione era molto avanzata rispetto a quanto si pensava dei primi tetrapodi.

Prove sul campo in Africa

Eseguire i test con il robot è stata un'esperienza fantastica: sembrava vivo. Per controllare la macchina è stato necessario risolvere problemi di cinematica inversa e dinamica per coordinare il movimento delle gambe e la colonna vertebrale. Per ottenere un movimento fluido, il computer a bordo del robot invia comandi ai motori a velocità di circa 100 volte al secondo. Gli azionamenti utilizzati sono azionati da un potente ed efficiente motore DC di maxon. Abbiamo usato 28 azionamenti, cinque per gamba e otto nella colonna vertebrale. Poche volte un robot così complesso e simile a un animale vero è stato controllato nell'esecuzione di tutti questi movimenti diversi.

Abbiamo integrato la nostra esperienza nella progettazione e controllo di robot dalla postura tentacolare per realizzare il robot dell'Orobates. Dopo avere fatto tesoro delle esperienze accumulate con il robot salamandra Pleurobot (consultate la rivista driven del 2018), ci siamo ispirati alle andature e alla morfologia dei coccodrilli del Nilo e abbiamo monitorato le lucertole per realizzare e testare due robot sul campo. Abbiamo collaborato con la BBC filmando documentari naturalistici in Africa, la serie TV Spy in the Wild presenta i nostri robot circondati da animali selvaggi sulle rive del fiume Nilo. Questi robot sono sopravvissuti a due settimane intense di riprese in condizioni ambientali estreme e ci hanno fornito preziose informazioni sugli scenari complessi del mondo reale: È il caso dei robot K-Rock destinati a scenari di emergenza. Grazie alla loro postura, sono in grado di camminare sotto passaggi stretti. Essendo poi anfibi possono nuotare e camminare in zone alluvionate piene di detriti e ostacoli.

Sviluppare questi robot, prima con il laboratorio di robotica dell'EPFL e ora nella mia azienda privata KM-RoBoTa (parte del programma YEP di maxon e una delle start-up del maxon Innovation Lab di Losanna) rappresenta un punto di riferimento per il design robusto dei robot animaloidi ispirati da animali veri, le cui capacità motorie hanno un grande potenziale da utilizzare per applicazioni scientifiche o di progettazione.

Attuatori del futuro

I progressi nella robotica come questo ci fanno riflettere sul meccanismo di azionamento che stiamo utilizzando attualmente. Con la tecnologia attuale, possiamo essere veloci ma non possiamo superare inerzie elevate in modo rapido ed efficiente (consentendo impatti, movimenti esplosivi, ecc). Inoltre, per aumentare la coppia, utilizziamo riduttori che influiscono sulla trasparenza del controllo del movimento per inerzia e attrito riducendo la larghezza di banda dell'azionamento. Le nuove possibilità per la creazione di azionamenti migliori su scale diverse, dalla soft robotics agli azionamenti prioricettivi ad alta potenza, spesso comportano la presenza di ingombranti sistemi periferici che riducono la densità di potenza e di coppia o richiedono una potenza sensibilmente superiore ai requisiti di dissipazione.

Passo dopo passo, dopo che il robot dell'Orobates ha seguito le impronte dell'originale, stiamo progettando una migliore tecnologia di azionamento ma siamo ancora ben lontani dal dotare i nostri robot di capacità simili a quelle di un animale vero, almeno rispetto a quello che riescono a fare i muscoli animali. È un lungo ma interessante percorso di ricerca e sviluppo dell'azionamento e della progettazione robotica e noi intendiamo completarlo nel prossimo decennio.

Kamilo Melo

Bibliografia

John A. Nyakatura*, Kamilo Melo*, Tomislav Horvat*, Kostas Karakasiliotis, Vivian R. Allen, Amir Andikfar, Emanuel Andrada, Patrick Arnold, Jonas Lauströer, John R. Hutchinson, Martin S. Fischer e Auke J. Ijspeert. Reverse-engineering della locomozione di un amniota. Nature 565, 351–355; 2019. *Contributi autori equivalenti.

DOI: 10.1038/s41586-018-0851-2

L'autore Kamilo Melo è cresciuto a Duitama e Bogotá (Colombia) e ora vive a Renens, nel canton Vaud. Ha studiato ingegneria elettrica e meccanica conseguendo un dottorato di ricerca in robotica. Dopo avere lavorato come post-doc all'EPFL di Losanna, lavora e si occupa di ricerca per la sua azienda di robotica KM-RoBoTa.