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Articoli di approfondimento - Un approccio con i baffi al rilevamento tattile

Ispirati dai baffi dei ratti comuni e del toporagno etrusco, alcuni ricercatori finanziati dall'UE hanno sviluppato robot simili a roditori e un innovativo sistema di sensori tattili, che potrebbe essere usato per aiutare a trovare persone intrappolate in edifici in fiamme, a rendere più efficienti gli aspirapolveri e infine a migliorare la chirurgia laparoscopica.

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I sistemi di sensori che replicano il senso del tatto sono stati il centro di interesse di sempre più ricerca negli ultimi anni, in gran parte per le applicazioni nel campo della robotica. Ci si è però concentrati normalmente sullo sviluppo di sensori che in un modo o in un altro copiano il modo in cui gli esseri umani toccano e percepiscono il mondo: con la pelle e in particolare con i polpastrelli. "Il motivo principale per il quale si sono studiati i sensori simili a polpastrelli è che noi li abbiamo, ma qualsiasi tipo di sensore tattile deve interagire con oggetti e superfici e i polpastrelli hanno un grande problema di deterioramento," spiega Tony Prescott, un professore di Neuroscienza cognitiva presso l'Università di Sheffield nel Regno Unito. La natura, però, ha ideato un tipo di dispositivo per la percezione tattile molto più robusto e spesso molto più sensibile: i baffi. "Se guardiamo il mondo naturale, quasi tutti i mammiferi a parte gli esseri umani hanno i baffi, in effetti siamo noi ad averli persi. I baffi sono un modo naturale di percepire le cose tramite il tatto," dice il prof. Prescott. Abbiamo constatato che, proprio come la loro controparte biologica, i baffi artificiali offrono dei grandi vantaggi rispetto ad altri metodi di percezione tattile come il prof. Prescott e un team di ricercatori provenienti da sette paesi hanno dimostrato nel progetto Biotact (1). Sostenuti con 5,4 milioni di euro in finanziamenti alla ricerca da parte della Commissione europea, i ricercatori hanno studiato i ratti e i topi, i minuscoli toporagni etruschi e altri mammiferi e hanno cercato di ricreare il modo in cui essi usano i loro baffi o vibrisse, per percepire l'ambiente, rilevare la presenza di oggetti e seguire la preda. Il loro lavoro ha portato allo sviluppo di un sensore tattile attivo simile a una vibrissa e una serie di robot simili a ratti che possono spostarsi usando solo il tatto. Questa tecnologia potrebbe essere usata commercialmente per applicazioni molto diverse dalla ricerca e il salvataggio, agli elettrodomestici, il collaudo di prodotti e la medicina. "Per cominciare dovevamo capire come i mammiferi usano i baffi. Circa un terzo del progetto è stato quindi dedicato alla neuroscienza comportamentale, sono stati filmati ratti e toporagni usando videocamere ad alta velocità per vedere come usano i baffi mentre si monitorava la loro attività neurale," spiega il prof. Prescott, il coordinatore del progetto Biotact. Il team ha poi determinato come riprodurre la percezione naturale delle vibrisse in un sistema artificiale. Il loro sistema funziona misurando la vibrazione alla base dello stelo di un baffo causata dal fatto che viene in contatto con un oggetto o una superficie. Motori in miniatura permettono ai singoli baffi o a una fila di centinaia di baffi di muoversi e strofinarsi contro gli oggetti in un modo molto simile a quello in cui i roditori muovono i propri baffi avanti e indietro ad alta velocità. Software e potenti algoritmi di elaborazione analizzano i dati raccolti dai baffi per determinare, per esempio, se una superficie è ruvida o liscia, se c'è un angolo o un muro, quanto è lontano un oggetto o persino se un oggetto è in movimento. Nei roditori, la maggior parte dei quali non hanno una buona vista, il controllo attivo dei baffi permette all'animale di posizionare con precisione la punta dei baffi e di controllare come si muove il baffo con lo scopo di ottenere quante più informazioni possibile su un oggetto o una superficie. In questo modo, possono basarsi solo sul tatto per esplorare e persino per cacciare. Robusti roditori robot per la ricerca e il salvataggio Applicato a dispositivi robotici, questo stesso tipo di percezione attiva migliora notevolmente la precisione e l'efficacia dei sensori, permettendo al robot di orientarsi con delicatezza, invece di sbattere sgraziatamente sugli oggetti. Inoltre mentre le sonde robotiche simili a dita si possono facilmente danneggiare perché i sensori sono esposti direttamente all'ambiente, con la tecnologia di Biotact i delicati componenti elettronici sono alla base dei baffi e non entrano in contatto diretto con oggetti o superfici. I baffi artificiali inoltre, proprio come quelli naturali, continuano a funzionare anche se sono rotti o danneggiati e possono essere sostituiti facilmente e a basso costo. Diverse generazioni di sensori e robot sviluppati dal team di Biotact hanno dimostrato quanto questo approccio possa essere efficiente. Shrewbot, l'ultima creazione, somiglia un po' al toporagno cui è ispirato ed è in grado di orientarsi solo attraverso il tatto. "Shrewbot può persino seguire un oggetto in movimento usando esclusivamente i baffi. Non ha sensori visuali o un altro tipo di dispositivo di percezione," dice il prof. Prescott. "Poiché i baffi artificiali di Biotact sono modulari, possono essere usati per tanti diversi robot e dispositivi, li abbiamo usati con una serie di robot educativi come il robot Lego Mindstorms, abbiamo anche prodotto una versione miniaturizzata che usa un nuovo tipo di attuatore a base di polimeri per muovere i baffi." "Volevamo assicurarci che questi sensori potessero essere usati nel modo più universale possibile, in modo che si potesse andare in un negozio e comprarne uno come oggi si compra una webcam e montarlo su qualsiasi robot o dispositivo," aggiunge il prof. Prescott. "Al momento, il prezzo di questa tecnologia è ancora relativamente alto, ma prevediamo che scenderà con il passare del tempo e abbiamo parlato con alcuni produttori, c'è sicuramente un certo interesse che ciò avvenga." Infatti la gamma di applicazioni per questa tecnologia è molto ampia. Un robot simile a Shrewbot potrebbe essere usato, per esempio, per aiutare i vigili del fuoco a trovare le persone negli edifici in fiamme o in altri ambienti, dove il fumo, la polvere o l'oscurità impediscono la percezione visiva. Una versione acquatica, al cui sviluppo stanno lavorando i membri del team di Biotact nell'ambito di un progetto di follow up, si potrebbe usare per ispezionare oscuri ambienti marini. "Invece di ratti e toporagni, somiglierebbe di più a foche e trichechi, animali che usano i baffi sott'acqua," dice il coordinatore del progetto. "Le aziende che si occupano di disattivazione nucleare hanno espresso il proprio interesse poiché hanno bisogno di dispositivi capaci di ispezionare pozze per i rifiuti nucleari, ci sono potenziali applicazioni nel settore petrolifero e in quello dell'archeologia subacquea." Nel campo della medicina, i sensori vibrissali, in seguito a un ulteriore impegno della ricerca, potrebbero fornire informazioni tattili altamente sensibili ai dottori che praticano la chirurgia laparoscopica, per esempio rilevando i diversi tipi di tessuti o ossa. Nel settore della produzione, la tecnologia percettiva potrebbe essere usata per testare la qualità di un prodotto o di classificare i prodotti analizzando la struttura dei materiali. Negli aspirapolveri, il sistema potrebbe rilevare automaticamente diversi tipi di superfici e regolare le impostazioni per assicurare una pulizia efficace, a seconda del fatto che il pavimento sia coperto di piastrelle o di moquette. In un'applicazione un po' diversa della tecnologia di percezione e di attuatori sviluppata nell'ambito di Biotact, l'Università di Sheffield sta attualmente lavorando con i vigili del fuoco del South Yorkshire per sviluppare un elmentto per i vigili del fuoco che associ i sensori agli ultrasuoni per l'orientamento in ambienti saturi di fumo con attuatori che forniscano informazioni tattili a chi li indossa. Biotact ha ricevuto finanziamenti alla ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro (7° PQ) dell'Unione europea all'interno del sotto-programma Tecnologie future ed emergenti (FET). I risultati di Biotact illustrano come questo tipo di ricerca fondamentale a lungo termine può portare a ricerca in altri settori e all'uso di queste tecniche per risolvere problemi altrove. (1) "Biomimetic technology for vibrissal active touch" Link utili: - Sito web "Biomimetic technology for vibrissal active touch" - Scheda informativa Biotact su CORDIS