Come la natura ispira la tecnologia: ecco i robot a forma di polpo, come sono fatti e a cosa servono

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Quando immaginiamo un robot, pensiamo a un umanoide di metallo, al robottino che pulisce casa o a un braccio meccanico da catena di montaggio. Esistono però anche robot di altro tipo: più flessibili, più adattabili e più “morbidi”. Sono i soft robot, macchine ispirate alla natura, progettate per adattarsi a diversi tipi di ambienti. Fanno parte della robotica bio-ispirata, una branca della robotica che osserva il comportamento degli esseri viventi nel loro habitat per sviluppare tecnologie capaci di operare in ambienti simili. Ad esempio, per progettare robot che si muovono sottoterra si studiano i lombrichi; per quelli volanti, le api; per il trasporto di semi, le strategie delle piante. Le soluzioni trovate in questi campi trovano spesso applicazione anche al di fuori del contesto per cui sono nate, in ambiti come la medicina o l’esplorazione spaziale.

In questo articolo vediamo cosa sono i robot bio-ispirati e, in particolare, i robot ispirati ai polpi, animali che hanno offerto spunti fondamentali per progettare macchine capaci di esplorare i fondali marini, recuperare oggetti in spazi estremamente ristretti e afferrare elementi di forme molto diverse tra loro.

Cosa sono i robot e cos'è la robotica bio-ispirata

I robot sono macchine programmabili, capaci di svolgere compiti in modo automatico o controllato da remoto. Di solito sono composti da tre elementi fondamentali: sensori per percepire l’ambiente (come telecamere o microfoni); attuatori per interagire con l’esterno (motori, ruote, pinze); e un’unità di controllo, cioè il “cervello” del sistema, per elaborare i dati raccolti dai sensori e trasmettere gli ordini agli attuatori.

Tradizionalmente, i robot sono stati impiegati in ambienti controllati, come le catene di montaggio, dove possono ripetere sempre le stesse operazioni. Ma che succede se dobbiamo lavorare in un ambiente non strutturato, che cambia ed è mutevole, come l’ambiente naturale? Per rispondere a questa sfida è nata la robotica bio-ispirata: un campo della ricerca scientifica e tecnologica che prende ispirazione dal mondo naturale, in particolare dagli esseri viventi, per progettare robot e macchine. L’idea alla base è osservare come si comportano gli organismi – come si muovono, si adattano, interagiscono con l’ambiente – e cercare di imitare questi comportamenti per creare nuove tecnologie.

Robot con tentacoli del polpo: sono perfetti per recuperare oggetti di qualunque forma

Il polpo è un animale estremamente interessante per la robotica bio-ispirata. Il suo corpo, completamente privo di scheletro, è estremamente flessibile e può deformarsi per passare attraverso spazi molto stretti. Ma non è solo morbido: può anche irrigidire selettivamente gli arti e applicare grandi forze grazie al suo sistema di muscoli. Gli otto tentacoli sono idrostati muscolari, organi muscolari che non hanno bisogno del supporto di nessun osso, come la lingua umana o la proboscide dell’elefante. Sono formati da tre tipi di fibre muscolari – trasversali, longitudinali e oblique – che, combinandosi, permettono al tentacolo di piegarsi, allungarsi, accorciarsi o torcersi in qualsiasi direzione. Replicare questa capacità è una grossa sfida per l’ingegneria robotica.

Un altro elemento fondamentale sono le ventose, distribuite lungo la parte interna dei tentacoli. Ciascuna può generare una forte pressione negativa (fino a −65 kPa) consentendo al polpo di aderire a superfici irregolari o viscide e afferrare oggetti con precisione.  La combinazione tra forza, controllo e adattabilità rende il polpo una fonte di ispirazione ideale per sviluppare robot capaci di operare in ambienti non strutturati.

I robot ispirati ai polpi: da Octopus a SpiRobs

Negli ultimi anni sono stati sviluppati diversi robot ispirati ai polpi, che provano ad imitarne le caratteristiche biologiche. Uno dei pionieri nel campo è Octopus, un progetto europeo guidato dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. Questo robot ha i tentacoli con l’esterno interamente in silicone, mossi da molle metalliche che si contraggono al passaggio della corrente, ed è capace di afferrare oggetti dalle forme irregolari. La sua creazione, più di 15 anni fa, ha dato il via ad una serie di progetti più sofisticati.

Ad esempio, a Genova, l’IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) ha sviluppato un braccio robotico morbido pensato per esplorare ambienti angusti, come tubi industriali di appena 7 cm di diametro. Questo robot è fatto interamente di siliconi più o meno morbidi al cui interno sono inseriti cavi di metallo. Le ventose artificiali, ispirate direttamente a quelle del polpo, aumentano la forza di presa rispetto a sistemi privi di ventose fino a 12,5 volte, permettendo il recupero di oggetti in ambienti sporchi, sommersi o sotto pressione (fino a 18 bar).

Nel 2020, ricercatori della Harvard University e della Beihang University hanno ulteriormente migliorato questo sistema e hanno presentato un braccio morbido con ventose biomimetiche e una forma affusolata ottimizzata. Il design delle ventose, seppur semplificato rispetto al modello biologico,  consente al robot di adattarsi a oggetti di forme, dimensioni e superfici molto diverse, dalle uova agli smartphone, e a superfici lisce, ruvide, piatte o curve.

Infine, nel 2024 è stato introdotto SpiRobs, una nuova classe di robot ispirata alla spirale logaritmica, forma comune anche nei tentacoli del polpo. SpiRobs, controllato tramite cavi e interamente stampato in 3D, può sollevare oggetti fino a 260 volte il proprio peso. Ne esistono versioni miniaturizzate, montate su droni o con combinazioni di più bracci per avvolgere e sollevare oggetti. Il progetto è open source, cioè disponibile e liberamente replicabile, così che gli appassionati possano stamparlo e ricrearlo a casa.