Un microrobot battente ispirato alla dinamica delle ali dei coleotteri rinoceronti

4 agosto 2024 feature

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

La dinamica dell'ala di specie animali volanti è stata fonte di ispirazione per numerosi sistemi robotici volanti. Mentre uccelli e pipistrelli solitamente sbattono le ali utilizzando la forza prodotta dai loro muscoli pettorali e alari, i processi alla base dei movimenti delle ali di molti insetti rimangono poco compresi.

Ricercatori dell'Ecole Polytechnique Fédérale de Losanna (EPFL, Svizzera) e dell'Università Konkuk (Corea del Sud) si sono recentemente impegnati a esplorare come insetti erbivori noti come scarabei rinoceronte dispiegano e ritraggono le loro ali. Le conoscenze acquisite, delineate in uno studio pubblicato su Nature, sono state poi utilizzate per sviluppare un nuovo microrobot sbattente che può dispiegare e ritrarre passivamente le sue ali, senza la necessità di attuatori estensivi.

"Gli insetti, inclusi i coleotteri, teoricamente dovrebbero usare i muscoli toracici per dispiegare e ritrarre attivamente le ali alle basi delle ali, in modo simile agli uccelli e ai pipistrelli", ha detto Hoang-Vu Phan, il primo autore dello studio, a Tech Xplore. "Tuttavia, i metodi di registrazione o monitoraggio dell'attività muscolare non possono ancora determinare quali muscoli usino i coleotteri per dispiegare e ritrarre le ali, né spiegare come lo facciano".

Le ali posteriori dei coleotteri assomigliano a strutture pieghevoli di origami, poiché possono essere riposte ordinatamente e riposte sotto le elitre (cioè un'ala anteriore indurita tipicamente presente nei coleotteri) mentre riposano e poi dispiegate passivamente quando volano. Molti studi passati che miravano a replicare la dinamica delle ali dei coleotteri nei robot utilizzavano strutture simili all'origami, senza prestare molta attenzione ai movimenti alla base delle ali posteriori.

"Questa ricerca è un seguito del mio lavoro precedente pubblicato su Science nel 2020, dove abbiamo scoperto la funzione di assorbimento degli urti delle ali posteriori dei coleotteri rinoceronte durante le collisioni in volo", ha spiegato Phan. "Durante gli esperimenti, ho accidentalmente catturato un completo dispiegamento delle ali in due fasi, e mi chiedevo perché il coleottero usi una procedura così complessa se guidato da muscoli attivi".

Nelle sue precedenti osservazioni sui coleotteri rinoceronte, Phan ha osservato che questi insetti possono sfruttare le elitre e le forze di sbattimento per dispiegare passivamente le loro ali posteriori per il volo. Una volta terminato il volo e atterrati su una superficie, poi usano le elitre per spingere indietro le ali sulla loro corpo. Entrambe queste azioni sono passive, in quanto non implicano l'uso dei muscoli toracici che supportano il volo degli uccelli e dei pipistrelli.

"Implementando questo meccanismo passivo nei robot sbattenti, abbiamo dimostrato per la prima volta che a differenza degli attuali robot sbattenti che mantengono le ali fisse in una configurazione completamente estesa, il nostro robot può piegare le ali lungo il corpo quando è a riposo e dispiegare passivamente le ali per decollare e mantenere un volo stabile", ha detto Phan.

I ricercatori hanno sfruttato le conoscenze acquisite dallo studio dei coleotteri rinoceronte per costruire un microrobot sbattente che pesa 18 grammi. Questo microrobot, che è approssimativamente due volte più grande di un vero coleottero, può dispiegare e ritrarre passivamente le sue ali.

"Per semplicità, abbiamo utilizzato tendini elastici installati alle ascelle che consentono al robot di chiudere passivamente le ali", ha detto Phan. "Attivando il movimento di sbattimento, il robot può dispiegare passivamente le ali per decollare e mantenere un volo stabile. Successivamente, fermando lo sbattimento dopo l'atterraggio, le ali possono essere rapidamente e passivamente ritratte sul corpo senza necessità di ulteriori attuatori".

Il recente lavoro di Phan e dei suoi colleghi ha rivelato che i meccanismi alla base del dispiegamento e del ritiro delle ali posteriori dei coleotteri sono passivi e non dipendono dai movimenti muscolari. Ha quindi introdotto una strategia efficace per riprodurre questi meccanismi nei microrobot, aumentandone così la somiglianza agli insetti.

"Il nostro robot con ali pieghevoli può essere utilizzato per missioni di ricerca e soccorso in spazi ristretti", ha detto Phan. "Ad esempio, può entrare in un edificio crollato dove gli esseri umani non possono accedere. Con la sua scala ridotta, il robot può volare in spazi stretti. Quando il volo non è possibile, il robot può atterrare o posarsi su qualsiasi superficie, e poi passare ad altri modi di locomozione come il camminare".

In particolare, quando il microrobot del team sta strisciando, le sue ali si riposano lungo il corpo, riducendo così il rischio che vengano danneggiate e migliorando anche la mobilità del robot in spazi ristretti. Una volta trovato un buon punto per decollare, il robot può semplicemente riaprire le ali e tornare in modalità di volo.

'Il nostro robot battente potrebbe anche aiutare i biologi nello studio della biomeccanica del volo degli insetti e potrebbe essere travestito da insetti spia per esplorare la vita degli insetti reali nelle foreste, per le quali i droni convenzionali a elica non sono applicabili,' ha detto Phan. 'Inoltre, il robot battente potrebbe essere utilizzato per condurre ricerche ingegneristiche o come giocattolo ingegneristico per bambini, in quanto la sua bassa frequenza di battito d'ali è molto sicura e amichevole per l'uomo.'

Fino ad ora, Phan e i suoi colleghi hanno valutato le prestazioni del loro microrobot in una serie di test preliminari, che hanno dato risultati promettenti. In futuro, il loro progetto potrebbe essere ulteriormente migliorato e testato in vari scenari reali, per convalidarne ulteriormente il potenziale.

'In studi futuri, sarebbe interessante esplorare se altri insetti, come piccole mosche, utilizzino strategie passive simili nel contesto della limitata disponibilità muscolare,' ha aggiunto Phan. 'Miriamo anche a migliorare il volo agile del nostro robot e ad implementare capacità di locomozione a terra come l'atterraggio e lo strisciamento, simili ai suoi corrispettivi biologici.'