Per rendere i robot di raccolta, le pinze sottomarine e i rover autonomi su pianeti lontani più universalmente applicabili e indipendenti in futuro, i ricercatori del Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS di Dresda stanno insegnando loro a percepire i sensi: stanno lavorando a diversi progetti con partner dell'industria e della ricerca su pinze artificiali costruite ispirandosi alla natura. La combinazione di stampa 3D e stampa XNUMXD con altre tecnologie contribuisce a raggiungere questo obiettivo: anche i pesci svolgono un ruolo importante.
Il concetto: pinze flessibili realizzate con stampanti 3D utilizzano sensori per determinare con quanta forza possono afferrare senza causare danni. Sistemi tecnici come robot o altre macchine sono progettati per imparare ad afferrare "con sensibilità", proprio come una mano umana. Le applicazioni future includono robot per la raccolta che colgono le fragole senza schiacciarle o rover autonomi che recuperano in sicurezza campioni sconosciuti. In progetti finanziati con fondi pubblici come "BioGrip" o "Nature4Nature", i ricercatori traggono ispirazione dalla natura per risolvere i problemi. Si sforzano di comprendere i principi biologici sottostanti, replicarli tecnologicamente e svilupparli ulteriormente. Questo approccio è chiamato "bionica" o "biologizzazione". "I progressi tecnologici nella produzione additiva ora consentono di adattare molti più concetti biologici rispetto a prima", sottolinea l'ingegnere meccatronico Hannes Lauer del Fraunhofer IWS, che supervisiona il progetto BioGrip. "La natura è piena di soluzioni". "Quando noi ingegneri ci troviamo in difficoltà, vale sempre la pena guardare ai loro concetti", afferma Moritz Greifzu, responsabile del gruppo Process Chains and Product Design. Aggiunge: “I processi di bioinnovazione spesso richiedono diversi anni e attualmente necessitano di finanziamenti significativi e, soprattutto, di collaborazione interdisciplinare. L'obiettivo è formare una nuova generazione di esperti di bionica che possiedano una solida rete di contatti e un'esperienza completa nei processi di innovazione.”
In questo caso specifico, i partner del progetto stanno sfruttando la capacità di alcune pinne di pesce di reagire alla pressione non con un movimento evasivo, ma con un contromovimento, contenendo così la forza di attacco. I pesci stessi sfruttano questo effetto "finray" per muoversi più facilmente. Gli ingegneri hanno sfruttato questo effetto "finray" nel progetto "BioGrip" da metà 2021 a inizio 2023. Hanno stampato pinze dotate di sensori in grado di afferrare delicatamente gli oggetti grazie alla tecnologia finray. A questo scopo, il Fraunhofer IWS ha innanzitutto creato una struttura di base della pinza, simile allo scheletro della pinna di pesce, in poliuretano flessibile. È stata utilizzata una stampante 3D che funziona secondo il principio additivo della "fabbricazione a filamento fuso" (FFF). Questi dispositivi fondono la plastica da un rotolo e poi generano la struttura desiderata strato per strato dalla fusione, utilizzando un modello computerizzato come modello.
Una stampante erogatrice applica quindi sottili strutture di pasta d'argento sulla superficie della pinza mediante cannule. I modelli risultanti vengono quindi funzionalizzati mediante radiazione infrarossa. Queste strutture funzionali includono, ad esempio, un pattern a meandro costituito da piste conduttrici larghe 250 micrometri. Quando il singolo dito si piega o si allunga, la resistenza elettrica del meandro cambia. Ciò consente di determinare la curvatura della pinza in qualsiasi momento.
La stampante genera anche sottili strati di argento e isolanti sovrapposti sulle dita della pinza, creando un condensatore piatto. Quando i due strati di argento vengono premuti insieme da una forza esterna, la capacità del condensatore cambia. Questo permette di determinare la forza che agisce sulla pinza. La stampante di dosaggio può anche produrre sensori tattili e di superficie. In combinazione con i microsistemi nell'elettronica di controllo e valutazione integrata, è possibile simulare una varietà di altre funzioni della mano umana. Ad esempio, sarebbe ipotizzabile stimare il peso dell'oggetto afferrato scuotendolo delicatamente.
Questa combinazione di diversi processi di stampa additiva e altre tecnologie crea pinze autonome che, in un certo senso, possono "sentire" ciò che afferrano. L'interesse sta già crescendo nell'industria e nella ricerca. Tra le altre cose, si sta discutendo della possibilità di raccogliere campioni dalle forme imprevedibili su Marte. Le aziende alimentari potrebbero utilizzare questi robot riadattati per selezionare e confezionare delicatamente mele o altri frutti. I biologi potrebbero utilizzare "pinze tastatrici" per raccogliere piccoli ricci di mare, cetrioli di mare e altre creature oceaniche senza danneggiarle. È probabile che seguiranno ulteriori scenari applicativi.
BioGrip è solo uno dei numerosi progetti del Fraunhofer IWS che utilizzano la natura come modello o fonte di ispirazione. Tra questi, sistemi laser che incidono effetti di loto e altri trucchi naturali per proteggere le superfici da sporco, ghiaccio o attrito, creando sottili motivi. Nel progetto Nature4Nature, i ricercatori di bionica di Dresda stanno collaborando con partner del mondo industriale e della ricerca su filtri innovativi progettati per impedire agli impianti di depurazione di immettere microplastiche nei cicli naturali dell'acqua e, in ultima analisi, negli oceani. In questo caso, i ricercatori si sono ispirati alla capacità di alcune razze e pesci spatola, nonché di altri organismi che si nutrono in sospensione negli oceani. Questi sette pesci utilizzano strutture appositamente sviluppate per catturare i loro alimenti preferiti, come plancton e altri microrganismi, dall'acqua di mare. Sebbene il funzionamento esatto di questo meccanismo sia ancora oggetto di ricerca, i biologi ne conoscono già molti principi. Ad esempio, i pesci spatola hanno sviluppato naturalmente archi e rastrelli nelle loro branchie. Insieme, formano strutture a gradini. Gli spazi tra queste strutture creano vortici in cui si raccolgono le particelle di cibo desiderate. Nella bocca delle mante, le particelle rimbalzano su piccole strutture e raggiungono la gola con la corrente principale, mentre l'acqua può fuoriuscire.
I partner del progetto mirano a trasferire queste e altre capacità simili a filtri autopulenti che filtrano le particelle di microplastica dalle acque reflue. Le strutture bioniche saranno create utilizzando speciali stampanti 3D. Sebbene la prototipazione rapida sia già diffusa in bionica, la produzione additiva non dispone ancora di materiali e processi accettati che soddisfino gli standard industriali. Questo, così come il trasferimento di tali tecnologie all'industria, fa parte delle competenze del Fraunhofer IWS. I suoi ricercatori sono convinti che la combinazione di biologia e tecnologia abbia ancora un grande potenziale: "La combinazione di diversi processi additivi apre possibilità completamente nuove in bionica", prevede Hannes Lauer.
I progetti in sintesi:
Presa biologica
– Focus: Pinza Finray ispirata biologicamente e che trasmette sensazioni
– Durata del progetto: da luglio 2021 a gennaio 2023
– Ente finanziatore: BMBF (499 euro)
– Partner del progetto: EvoLogics GmbH Berlino, RUAG Space Berna e Società agricola tedesca (DLG) Francoforte sul Meno come partner associato
Ulteriori informazioni:
https://iws.fraunhofer.de/de/technologiefelder/additive-fertigung-und-oberflaechentechnik/pulverbettverfahren-und-drucken/biogrip.html
Natura per la natura
– Focus: Bioispirazione attraverso sistemi di filtraggio per pesci (applicazione: filtri microplastici)
– Durata del progetto: da marzo 2023 a febbraio 2027
– Ente finanziatore: UE
Maggiori informazioni: https://iws.fraunhofer.de/de/technologiefelder/additive-fertigung-und-oberflaechentechnik/prozesskette-und-produktgestaltung/nature4nature.html
pubblicazione originale
La mano robotica impara a sentire – Fraunhofer IWS
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