“Come vola il corvo” è un’espressione idiomatica che si riferisce alla distanza più breve tra due punti, ma il Laboratorio di Sistemi Intelligenti (LIS), guidato da Dario Floreano presso la Scuola di Ingegneria dell’EPFL, ha preso l’espressione alla lettera con RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments).
Progettato ispirandosi a uccelli come corvi e corvacci, che passano frequentemente dall’aria alla terra, le sue gambe robotiche multifunzionali consentono al drone di decollare autonomamente in ambienti precedentemente inaccessibili ai droni alati.
Come funziona il drone “uccello”
“Gli uccelli sono stati la prima ispirazione per gli aerei, e i fratelli Wright hanno realizzato questo sogno, ma persino gli aerei odierni sono ancora piuttosto lontani da ciò che gli uccelli sono in grado di fare“, spiega Won Dong Shin, dottorando del LIS. “Gli uccelli possono passare dal camminare al correre, al volare e viceversa, senza bisogno di piste o lanciatori. Manca ancora in robotica una piattaforma che consenta movimenti di questo tipo“.
Il drone ha un design che imita le zampe degli uccelli
Il design di RAVEN mira a massimizzare la varietà dei movimenti riducendo al minimo la massa. Ispirandosi alle proporzioni delle zampe degli uccelli (e dopo lunghe osservazioni di corvi nel campus dell’EPFL), Shin ha progettato un set di zampe aviatorie multifunzionali per un drone ad ala fissa. Ha utilizzato una combinazione di modelli matematici, simulazioni al computer e iterazioni sperimentali per ottenere un equilibrio ottimale tra la complessità delle zampe e il peso totale del drone (0,62 kg).
La zampa risultante mantiene i componenti più pesanti vicini al “corpo”, mentre una combinazione di molle e motori imita i potenti tendini e muscoli degli uccelli; piedi leggeri, composti da due strutture articolate, sfruttano una giuntura elastica passiva che supporta diverse posture per camminare, saltellare e saltare.
“Tradurre le zampe e i piedi degli uccelli in un sistema robotico leggero ci ha posto davanti a problemi di progettazione, integrazione e controllo che gli uccelli hanno risolto elegantemente nel corso dell’evoluzione“, afferma Floreano. “Questo ci ha portato non solo a sviluppare il drone alato più multimodale mai realizzato, ma anche a fare luce sull’efficienza energetica del salto per il decollo sia negli uccelli sia nei droni“; la ricerca è stata pubblicata su Nature.
Accesso migliorato per consegne o interventi in caso di calamità
I robot precedenti progettati per camminare erano troppo pesanti per saltare, mentre quelli progettati per saltare non avevano piedi adatti alla camminata. Il design unico di RAVEN gli consente di camminare, superare gap nel terreno e persino saltare su una superficie rialzata alta 26 centimetri.
Gli scienziati hanno sperimentato diversi modi di iniziare il volo, tra cui il decollo da fermo o da caduta, e hanno scoperto che saltare in volo era il modo più efficiente per sfruttare l’energia cinetica (velocità) e l’energia potenziale (guadagno in altezza).
I ricercatori del LIS hanno collaborato con il laboratorio di BioRobotica di Auke Ijspeert presso l’EPFL e con il Neuromechanics Lab di Monica Daley all’Università della California, Irvine, per adattare la biomeccanica degli uccelli alla locomozione robotica.
“Questi risultati rappresentano solo un primo passo verso una migliore comprensione dei principi di progettazione e controllo degli animali volanti multimodali e la loro traduzione in droni agili ed energeticamente efficienti“, afferma il Prof. Dario Floreano, direttore del Laboratorio di Sistemi Intelligenti.
Oltre a chiarire i costi e i benefici delle zampe potenti negli uccelli che passano frequentemente tra aria e terra, i risultati offrono un design leggero per droni alati in grado di muoversi su terreni accidentati e decollare da luoghi ristretti senza intervento umano e queste capacità consentono l’utilizzo di tali droni per ispezioni, prevensione dei disastri e consegne in aree confinate; il team dell’EPFL sta già lavorando a un design migliorato e a un controllo delle zampe per facilitare l’atterraggio in una varietà di ambienti.
“Le ali degli uccelli sono l’equivalente delle zampe anteriori nei quadrupedi terrestri, ma si sa poco sulla coordinazione tra zampe e ali negli uccelli (per non parlare dei droni). Questi risultati rappresentano solo un primo passo verso una migliore comprensione dei principi di progettazione e controllo degli animali volanti multimodali e la loro traduzione in droni agili ed energeticamente efficienti“, conclude Floreano.
