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Robotica, sensori tattili made in Italy per pelle artificiale ‘sensibile’

sensori tattili
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Una mano robot che può essere leggera come una piuma o forte come il ferro. Sembra fantascienza (o la citazione di un celebre film di Carlo Verdone), ma in realtà è un passo avanti impressionante nel cambio della bio-robotica ‘made in Italy’. Ebbene, dei sensori tattili in fibra ottica e intelligenza artificiale capaci di localizzare e rilevare l’intensità della forza di contatto su un’area estesa di pelle artificiale sono infatti stati sviluppati dai ricercatori italiani, coordinati dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa.

La mano robotica con sensori tattili e pelle artificiale – Scuola Sant’Anna di Pisa

Il lavoro, pubblicato su ‘Nature Machine Intelligence’, apre nuovi scenari applicativi per la robotica medica e l’industria 4.0, consentendo ai robot di assistere le persone nel modo più sicuro sul lavoro e nelle azioni quotidiane.

Un settore che, solo per la robotica chirurgica di prossima generazione in Nord America crescerà del 45% l’anno e raggiungerà 195,8 milioni di dollari entro il 2030, grazie anche al forte aumento adozione di innovativi robot chirurgici (fonte, Report Ocean).

Ma come faranno i robot a ‘dosare’ la propria forza, distinguendo tra esseri umani e materiali diversi? Per consentire l’interazione fisica in sicurezza delle macchine con ambiente e persone ora sarà  possibile integrare una nuova pelle artificiale sensorizzata sui robot collaborativi. Il lavoro, coordinato dall’Istituto di BioRobotica della Sant’Anna, in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia, le Università La Sapienza e Campus Bio-Medico di Roma e Ca’ Foscari di Venezia, e con il centro di competenza Artes 4.0, descrive infatti il funzionamento di una innovativa pelle artificiale che ‘imita’ elementi della pelle umana, i recettori chiamati corpuscoli di Ruffini.

“Con questa tecnologia innovativa di tatto artificiale – spiega Calogero Oddo, professore dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna e coordinatore scientifico dello studio – abbiamo mostrato la capacità di codificare, su un’area larga e con geometria complessa, due proprietà fondamentali e caratteristiche della percezione tattile umana: la localizzazione del punto di contatto e l’intensità della forza con cui il robot interagisce con l’ambiente”.

“La pelle biomimetica che abbiamo realizzato – illustra Mariangela Filosa, dottoranda dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna e co-autrice dello studio – è costituita da una matrice polimerica soffice che integra sensori fotonici a reticolo di Bragg”.

“In questo studio – commenta Edoardo Sinibaldi, ricercatore dell’Istituto Italiano di Tecnologia, che lo ha co-supervisionato dal punto di vista scientifico – abbiamo utilizzato l’integrazione tra intelligenza fisica e intelligenza artificiale”. Il posizionamento dei sensori all’interno della pelle artificiale si basa sull’intelligenza fisica: affinché “si parlino tra loro” tramite la pelle stessa, i sensori devono essere posizionati a una certa distanza e profondità, mentre l’interpretazione del segnale prodotto dai sensori impiega l’intelligenza artificiale. “Per ottenere risultati più accurati dagli algoritmi di intelligenza artificiale, abbiamo usato un insieme di griglie di calcolo, come spesso viene fatto per problemi di fluidodinamica computazionale, a testimonianza del fatto che questo campo di ricerca può essere affrontato efficacemente con un approccio multidisciplinare”, aggiunge Sinibaldi.

Questa tecnologia si inserisce nel quadro della cosiddetta robotica collaborativa e permetterà ai robot di interagire con le persone e ad assisterle nel modo più sicuro nei compiti quotidiani. Un altro scenario è quello dell’industria 4.0: in un futuro non troppo lontano il robot potrà alleviare i compiti e la fatica fisica e riducendo l’incidenza degli infortuni sul lavoro.

La tecnologia al centro dello studio è stata sviluppata presso l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna grazie a una fertile interazione scientifica del Neuro-Robotic Touch Lab, coordinato da Calogero Oddo, con Edoardo Sinibaldi dell’Istituto Italiano di Tecnologia, Eduardo Palermo, ricercatore dell’Università La Sapienza di Roma, Emiliano Schena, professore dell’Università Campus Bio-medico di Roma, con l’Università Ca’ Foscari di Venezia e con il centro di competenza Artes 4.0.

Questa è, anche, una storia di giovani cervelli: hanno conseguito la laurea magistrale in ingegneria biomedica presso la Sapienza, con quattro tesi in collaborazione con l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, il primo autore Luca Massari, la prima co-autrice Giulia Fransvea e le co-autrici Jessica D’Abbraccio e Martina Zaltieri, che poi hanno proseguito il loro percorso di studi e di ricerca presso le università partner di questo lavoro, nell’ambito di tesi di dottorato, borse e assegni di ricerca.

“Una collaborazione intensa e duratura tra gruppi di ricerca di eccellenza – commenta Eduardo Palermo, ricercatore presso l’Università Sapienza di Roma, per un obiettivo sfidante: l’interazione tra intelligenza fisica e artificiale riduce la necessità di barriere abilitando la cooperazione dei robot, un principio fondamentale per industria 4.0 e non solo. L’estensione della sensazione tattile su tutta la struttura dei robot permette di percepire l’interazione con le persone con una modalità nuova e potenziata, rendendo la macchina capace di adattare il suo comportamento all’ambiente circostante2.

“Migliorare la sicurezza sul lavoro, i risultati di una procedura chirurgica, la qualità di vita di persone che hanno l’esigenza di assistenza sono tra le nostre principali ambizioni – commenta Emiliano Schena, professore presso l’Università Campus Bio-Medico di Roma e ricercatore segnalato nella classifica dei ’40 under 40′ da Fortune Italia nel 2021 – Il coinvolgimento con altre eccellenze italiane in questo progetto ha consentito di apportare un contributo rilevante alla messa in opera di attività che concorrono allo sviluppo di tecnologia finalizzata al bene della persona, mettendo la scienza al servizio dell’essere umano”. Ma la tecnologia al centro di questo studio ha già dato vita a dei brevetti? “In effetti nel febbraio 2021 lo stesso gruppo che ha firmato questo studio ha depositato un brevetto su sensori tattili per pelle artificiale per la robotica collaborativa, e la ricerca coordinata dalla Sant’Anna utilizza alcuni elementi di questo brevetto”, ci spiega Schena.

In futuro, grazie alla collaborazione con il Centro di Competenza Artes 4.0 e le imprese ad esso associate, leader in settori chiave come la robotica e la microelettronica, sarà possibile trasferire queste tecnologie di frontiera verso applicazioni industriali innovative, migliorando la sicurezza sul lavoro e consentendo di programmare i robot con un semplice gesto interattivo o mediante l’esempio.

“Grazie alla collaborazione con Artes 4.0 – commenta Paolo Dario, direttore scientifico di Artes 4.0 e professore emerito della Scuola Superiore Sant’Anna – queste nuove tecnologie  saranno trasferite dal laboratorio di ricerca fino all’applicazione”. Il futuro della bio-robotica è adesso, e le eccellenze italiane nel settore intendono far sentire la propria voce.

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