Scopo della tesi
Il presente lavoro di tesi rappresenta la prima fase di un ben più ampio progetto finalizzato allo studio della biomeccanica, del comportamento, della fisiologia e della capacità di apprendimento dell’Octopus vulgaris, al fine di una sua riproduzione in ambito robotico.
Il polpo ha sempre destato una grande curiosità nel campo della robotica biomimetica. Da un punto di vista ingegneristico, infatti, i suoi tentacoli presentano caratteristiche molto particolari, come l’elevata capacità di curvatura in tutte le direzioni, la velocità di estensione e la capacità di variare la sua rigidezza.
Questa sorprendente creatura, nonostante l’apparente semplicità sembra dare molti spunti di riflessione ai robotici impegnati nel campo del controllo e della cinematica, ma soprattutto riguardo a materiali e sistemi di attuazione per una nuova generazione di tecnologie robotiche. E proprio su questi ultimi punti si inserisce il contributo originale della presente opera. Le performance motorie che il polpo è in grado di raggiungere con i suoi tentacoli, hanno suggerito l’idea che il merito potesse essere ascritto al processo di evoluzione naturale della sua anatomia. In altre parole, una creatura relativamente semplice (gli invertebrati sono sempre stati considerati inferiori ai vertebrati, evoluzionisticamente parlando) trova nella mancanza di uno scheletro rigido il suo punto di forza, andando a sfruttare la particolare tipologia di muscoli che possiede e una configurazione anatomica che gli permettono di ottenere eccezionali performance.
Lo scopo di questa tesi è, quindi, quello di verificare la possibilità di sfruttare la conoscenza sui tentacoli del polpo per realizzare un robot completamente composto di materiali morbidi che, seguendo la più stretta definizione di robotica biomimetica, da
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una parte troverebbe utilizzo in molti ambiti applicativi (biomedico, industriale, sicurezza) e dall’altra rappresenterebbe uno strumento con cui validare teorie e modelli formulati da biologi. In particolare il principale problema affrontato riguarda la struttura del tentacolo robotico e la tecnologia di attuazione da utilizzare con i materiali ad esso associati.
Il Capitolo 1 di questo lavoro di tesi si apre, quindi, con un’introduzione al concetto di biorobotica e con la formulazione delle definizioni che sanciscono la distinzione concettuale tra robotica biomimetica e robotica bioisprata. A seguire vengono sottolineate le caratteristiche salienti e maggiormente attraenti che hanno spinto l’indagine. Vengono poi presentati gli approcci già tentati in robotica in modo da introdurre le ragioni per cui l’idea illustrata è da considerarsi del tutto innovativa.
Nel Capitolo 2 viene svolta una minuziosa analisi sulla letteratura esistente riguardo il polpo in termini anatomici e funzionali ed è stata formalmente introdotta l’idea di base dell’approccio che si intende seguire: studiare la disposizione anatomica dei suoi muscoli da un punto di vista biomimetico al fine di raggiungere le performance naturali.
Nel polpo, infatti, queste capacità motorie sono ottenute grazie alla caratteristica idrostatica dei suoi muscoli ed alla loro configurazione geometrica all’interno del tentacolo. Da questa idea si potrebbe essere in grado di fornire ad un tentacolo robotico un range di movimento ed una forza incrementati rispetto ai risultati ottenuti seguendo approcci roboticamente più tradizionali.
Sulla base della letteratura esaminata, il Capitolo 3 ha lo scopo di illustrare in maniera esaustiva la progettazione del tentacolo robotico introducendo i criteri che sono stati seguiti.
Da un punto di vista ingegneristico e robotico, però, l’analisi svolta nel Capitolo 2 ha evidenziato una carenza di informazioni riguardo le caratteristiche passive del tessuto biologico. Per questa ragione nel Capitolo 4 e 5, è stato svolto uno studio
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preliminare come parte integrante di una caratterizzazione biomeccanica completa dei tessuti del tentacolo. Le prove sono state eseguite su porzioni di tentacolo di Octopus vulgaris usando metodi e strumenti ingegneristici quali la misura dell’elasticità attraverso curve di sforzo – deformazione.
I dati provenienti da questa indagine sono stati poi utilizzati come riferimento per la scelta dei materiali da utilizzare in quanto elemento essenziale per aspirare a riprodurre il comportamento del tentacolo naturale.
Nel Capitolo 6 è presentata una ricerca specifica nell’ambito delle tecnologie di attuazione utilizzabili nella robotica biomimetica, al fine di individuare il candidato più adatto ai nostri scopi. La scelta è ricaduta sulla nuovissima e ancora solo parzialmente esplorata tecnologia dei polimeri elettroattivi (EAP) principalmente per le potenzialità meccaniche e le caratteristiche passive che esibisce.
Una volta sviscerati i principi fisici su cui gli EAP dielettrici si basano, nel Capitolo 7 è stato sviluppato un modello teorico che fornisce dei riferimenti per valutare le prestazioni ottenibili e avere un termine di paragone con cui confrontare le performance sperimentali.
I tentativi compiuti nella fabbricazione del sistema di attuazione sono esposti nel Capitolo 8, insieme all’analisi delle performance via via ottenute ed alle osservazioni suscitate.
Infine, nel Capitolo 9, sono state riassunte le conclusioni sui risultati ottenuti ed esposti i più probabili scenari a cui si andrà incontro nel proseguimento della restante parte del progetto.
