INDICE
SCOPO DELLA TESI...1
CAPITOLO 1 ...5
INTRODUZIONE ALLA BIOROBOTICA ...5
1.1 L’evoluzione della robotica ...5
1.2 Definizione di biorobotica ...6
1.3 La robotica biomimetica ...8
1.4 La robotica bioispirata ...14
1.5 Tecnologie d’attuazione per la robotica biomimetica...15
CAPITOLO 2 ...18
IL MONDO VEGETALE, UNA NUOVA FONTE DI ISPIRAZIONE ...18
2.1 Introduzione ...18
2.2 Le piante superiori ...18
2.3 I tropismi...19
2.4 L’apparato radicale ...22
2.5 Morfologia ed anatomia dell’apice radicale ...24
2.6 La crescita radicale e il ruolo dell’osmosi ...28
2.7 Dall’apice radicale al sistema robotico ...33
CAPITOLO 3 ...36
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DELL’ATTUATORE ELETTRO-OSMOTICO...36
3.1 Introduzione ...36
3.2 Il fenomeno dell’osmosi ...37
3.3 Le equazioni che descrivono l’osmosi...39
3.4 Sintesi degli aspetti del fenomeno osmotico d’interesse per la realizzazione dell’attuatore ...43
3.5 Proprietà delle soluzioni elettrolitiche ...44
3.6 L’elettrolisi...45
3.7 Relazione tra corrente e differenza di potenziale applicata ...48
3.8 Le equazioni che descrivono i fenomeni elettrolitici...50
3.9 Sintesi degli aspetti dell’elettrolisi d’interesse per la realizzazione dell’attuatore ...52
3.10 Le basi dell’attuatore elettro-osmotico ...53
CAPITOLO 4 ...57
CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE DEL PROCESSO ELETTROLITICO..57
4.1 Introduzione ...57
4.2 La scelta delle specie chimiche...58
4.3 La scelta della membrana anionica ...62
4.4 Il setup sperimentale per i test di elettrolisi ...63
4.5 Studio delle proprietà delle soluzioni elettrolitiche ...66
4.6 Caratteristiche elettriche del sistema ...69
4.7 Tempi di reazione ...77
4.8 Conclusioni delle prove di elettrolisi ...80
CAPITOLO 5 ...82
CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE DEL PROCESSO OSMOTICO ...82
5.1 Introduzione ...82
5.2 Membrane osmotiche...82
5.3 Setup sperimentale ...84
5.4 Test preliminari...87
5.5 Compatibilità membrane osmotiche e soluzioni elettrolitiche ...89
5.6 Conclusioni delle prove sperimentali sul processo osmotico ...95
CAPITOLO 6 ...97
VERIFICA SPERIMENTALE DEL PRINCIPIO DI ATTUAZIONE...97
6.1 Introduzione ...97
6.2 Il setup sperimentale ...98
6.3 Prove sperimentali ...102
6.4 Conclusioni ...104
CAPITOLO 7 ...106
MISURA DELLA PRESSIONE DI ACCRESCIMENTO DELLE RADICI ...106
7.1 Introduzione ...106
7.2 Analisi dei risultati riportati in letteratura...107
7.3 La realizzazione di un nuovo setup...108
7.4 Prove sperimentali e risultati emersi...111
7.5 Conclusioni ...117
CAPITOLO 8 ...118
IL SISTEMA ROBOTICO ...118
8.1 Introduzione ...118
8.2 Struttura ...118
8.3 Struttura dell’apice robotico ...121
CAPITOLO 9 ...126
DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA ROBOTICO...126
9.1 Introduzione ...126
9.2 Caratteristiche geometriche ...127
9.3 I tempi per l’attuazione ...130
9.4 Conclusioni ...137
CAPITOLO 10 ...138
CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ...138
APPENDICE A ...141
APPENDICE B ...147
BIBLIOGRAFIA ...149
1
SCOPO DELLA TESI
Il presente lavoro di Tesi si colloca all’interno di un ben più ampio progetto che, prendendo come fonte di ispirazione il regno vegetale, mira alla realizzazione di robot bioispirati alle radici delle piante superiori, definiti plantoidi in analogia con i termini umanoidi e animaloidi, espandendo così il campo d’interesse della robotica biomimetica, tradizionalmente limitato al regno animale, verso territori completamente inesplorati.
Le radici delle piante superiori (con il termine piante superiori si indica le piante il cui corpo vegetativo è costituito da tre tipi di organi: l’apparato radicale, il fusto e le foglie), nonostante l’apparente semplicità, sono dotate di numerose proprietà uniche e affascinanti che sembrano dare molti spunti di riflessione al fine di una loro riproduzione in ambito robotico.
Le piante superiori sono organismi sessili, cioè vivono fissate al substrato, non sono quindi dotate di un apparato di locomozione tradizionale che permetta loro di spostarsi alla ricerca dei nutrienti e delle condizioni ambientali favorevoli per la crescita e la sopravvivenza, come invece accade per gli animali. Per compensare la loro natura sessile, le piante devono essere in grado di estrarre informazioni dall’ambiente circostante, quindi percepire determinate anisotropie ambientali, e rispondere ad esse dinamicamente, variando in modo opportuno l’orientamento della direzione di crescita dei propri organi: questa reazione viene definita tropismo.
Il tropismo, che caratterizza tutti gli organi delle piante superiori, riveste un ruolo estremamente importante in relazione alla crescita dell’apparato radicale. In particolare a guidare la crescita di tutto l’apparato sono gli apici radicali, cioè le punte estreme delle radici, che sono in grado di percepire i numerosi stimoli ambientali provenienti dal terreno circostante (umidità, presenza di sali minerali e altri nutrienti, luce, ecc), elaborarli e modificare di conseguenza la propria crescita. Tale azione è paragonabile ad un vero e proprio monitoraggio ambientale.
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Altra caratteristica sorprendente dell’apice radicale è che, nonostante la sua struttura apparentemente delicata ed esile, durante la crescita esso è in grado di esercitare pressioni elevate sul terreno circostante, che gli permettono di penetrare anche in terreni molto compatti o addirittura rocciosi. All’interno delle cellule delle radici, infatti, si genera una pressione osmotica, definita turgore, che costituisce la forza d’attuazione che permette la distensione e
la crescita della radice stessa, conferendole la forza necessaria per vincere la resistenza esterna del suolo.
È proprio su quest’ultimo punto che si inserisce il contributo originale della presente Tesi.
Principale obiettivo del lavoro è infatti quello di realizzare un innovativo sistema di attuazione che, in analogia con quanto avviene per le cellule vegetali, sia in grado di sfruttare il fenomeno dell’osmosi e impiegarla per generare un’attuazione meccanica. Nell’ambito delle tecnologie di attuazione per la robotica biomimetica, tale approccio risulta completamente nuovo e originale.
Lo studio dell’attuatore s’inserisce quindi all’interno del progetto per la realizzazione dei robot plantoidi che, ad imitazione del comportamento mostrato dall’apparato radicale durante la crescita, dovranno essere in grado di penetrare e esplorare territori sconosciuti muovendosi alla ricerca di specifici target.
Tali robot da una parte troverebbero utilizzo in molti ambiti applicativi relativi all’esplorazione del territorio, ad esempio per l’esplorazione spaziale, mentre dall’altra rappresenterebbero uno strumento con cui validare teorie e modelli formulati dai biologi.
Il Capitolo 1 di questo lavoro di Tesi si apre quindi con un’introduzione al concetto di biorobotica, per illustrarne le basi e i principi di carattere generale. Particolare attenzione è stata posta all’aspetto relativo alle tecnologie di attuazione tradizionalmente impiegate in tale ambito, allo scopo di evidenziare l’approccio innovativo affrontato nel presente lavoro.
Nel Capitolo 2 sono messe in evidenza le caratteristiche affascinanti da un punto di vista biorobotico delle piante superiori che hanno contribuito ad attrarre l’attenzione su tali organismi e hanno portato alla nascita del progetto. In particolare è stato approfondito l’aspetto relativo al meccanismo di crescita e allungamento adottato dalle radici per penetrare il terreno, e al ruolo che il fenomeno dell’osmosi riveste in esso.
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È stata quindi formalmente introdotta l’idea di base dell’approccio che si intende seguire:
imitare tale meccanismo per produrre nuove tecnologie di attuazione bioispispirate.
Il Capitolo 3 è dedicato ad un’analisi approfondita dei due fenomeni su cui l’attuatore basa il suo funzionamento: l’osmosi e l’elettrolisi (da cui la definizione di attuatore elettro- osmotico). All’interno del capitolo sono quindi trattati gli aspetti di maggiore interesse dei due
fenomeni, in modo tale da chiarirne la natura, capire quali sono le leggi che ne descrivono l’evolversi e identificarne i parametri caratteristici. Solo dopo aver chiarito tali aspetti sarà possibile capire in che modo tali fenomeni possano essere impiegati e controllati per il funzionamento dell’attuatore.
Nei Capitoli 4, 5 e 6 sono riportate le prove sperimentali mirate alla validazione del principio di funzionamento, a prescindere in un primo momento dalla geometria e dalle dimensioni finali che avrà il dispositivo. In questa fase sono stati effettuati numerosi test sperimentali che, oltre a verificare il principio, sono risultati utili per la scelta delle componenti migliori da utilizzare nella realizzazione del sistema di attuazione, in termini di materiali e specie chimiche, e per stimare alcuni importanti parametri caratteristici che influenzano il funzionamento e le prestazioni dell’attuatore.
Seguendo l’approccio bioispirato, in relazione alla realizzazione dell’attuatore risulta estremamente interessante indagare sull’entità delle pressioni sviluppate in natura dalle radici delle piante per penetrare il terreno. Esse infatti andranno a costituire il metro di paragone con cui definire le prestazioni dell’attuatore stesso. Nell’indagine non ci siamo limitati ad affidarci ai dati riportati in letteratura, ma abbiamo ritenuto interessante ed utile per i nostri scopi realizzare un nuovo setup per misurare la massima pressione esercitata da una radice in crescita. Il Capitolo 7 è quindi dedicato alla realizzazione di tale setup e all’analisi dei primi risultati ottenuti.
Per dare una visione completa del contesto applicativo in cui l’attuatore dovrà andare ad inserirsi, nei Capitoli 8 e 9 è fornita una descrizione dettagliata del sistema robotico (apice robotico) in cui l’attuatore dovrà esplicare il suo funzionamento.
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Inoltre è stato realizzato un modello matematico teorico che consente di descrivere il funzionamento dell’attuatore e le sue possibili prestazioni in relazione alla geometria e alle dimensioni del sistema robotico.
Infine, nel Capitolo 10 sono state riassunte le conclusioni sui risultati ottenuti ed esposti i più probabili scenari cui si andrà incontro nel proseguimento del progetto.
