La base per robot sensibili
Johannes Weichart sta sviluppando per il suo dottorato una pelle artificiale che darà ai robot un senso del tatto simile a quello umano. Ciò consentirà loro di maneggiare gli oggetti in modo molto più abile in futuro.
Una capacità speciale degli esseri umani è quella di maneggiare abilmente gli oggetti con le mani. Il senso del tatto, particolarmente accentuato nei polpastrelli, è fondamentale per questo. Con le mani possiamo non solo percepire la posizione degli oggetti, ma anche esplorarne la consistenza e sentire la struttura delle superfici, il tutto senza vedere gli oggetti.
Ci rendiamo conto di quanto sia sofisticato il nostro senso del tatto quando cerchiamo di aiutare i robot a raggiungere una percezione altrettanto differenziata. I robot di produzione e altre macchine possono afferrare e spostare oggetti in modo affidabile. Tuttavia, per farlo, la macchina deve sapere già dove si trova l'oggetto oppure ha bisogno di informazioni visive aggiuntive per potersi orientare. Idealmente, deve anche sapere quanto è solido l'oggetto che deve afferrare e quali sono le sue proprietà.
Centinaia di sensori
Se Johannes Weichart ha la meglio, i robot saranno presto in grado di maneggiare gli oggetti con molta più abilità. Il dottorando del gruppo Micro e nanosistemi dell'ETH di Zurigo ha sviluppato una pelle artificiale che imita il senso del tatto delle dita umane e che dovrebbe consentire ai robot di toccare e sentire. L'aspetto saliente è che anche le superfici di forma irregolare realizzate in materiali morbidi possono essere dotate di questa pelle, ad esempio pinze robotiche con la geometria di un dito umano.
Come la pelle umana, anche quella artificiale di Weichart è dotata di un gran numero di recettori. "Ha bisogno di circa un sensore per millimetro quadrato", ha studiato. Ogni sensore è composto da diversi strati. Al centro ci sono due strati conduttivi che sono tenuti a una distanza di tre o quattro micrometri con delle molle. Il segnale elettrico, che viene misurato da un elettrodo, cambia a seconda della distanza tra gli strati.
Percezione differenziata
Chi siamo ha una piccola sfera sopra i due strati conduttivi. Premendo su questa sfera si modifica la distanza tra le membrane conduttive e quindi il segnale di misura del sensore nel punto corrispondente.
Il fattore decisivo è che la metà delle sfere non è combinata solo con un elettrodo, ma con tre elettrodi. Ciò consente di misurare non solo la forza che agisce sulla sfera in questi punti, ma anche la direzione da cui proviene. Ciò rende la percezione della pelle artificiale molto più differenziata. "? possibile esplorare una superficie e riconoscere quando un oggetto scivola sulla superficie. Le informazioni dinamiche sono particolarmente importanti a questo scopo", spiega Weichart.
Troppi dati grezzi
Weichart è riuscito a dimostrare che il principio funziona nei primi tre anni del suo dottorato. Il passo successivo è rendere la pelle più robusta e, soprattutto, collegabile. Questo richiede ancora molto lavoro di sviluppo: "Dobbiamo dotare i sensori di uno strato protettivo in modo da poter utilizzare la pelle artificiale nella vita quotidiana", spiega Weichart. "E dobbiamo semplificare radicalmente il segnale di uscita. Un robot sarebbe completamente sopraffatto da così tanti dati grezzi in ingresso. Dopo tutto, noi esseri umani non percepiamo ogni singolo recettore individualmente, ma l'immagine complessiva".
Nonostante il lavoro da fare, il progetto ha già assunto una forma promettente. Non sorprende quindi che Weichart sia stato uno dei candidati al premio Spark, consegnato la scorsa settimana.
Percorsi non convenzionali
Weichart ama percorrere strade non convenzionali. Questo è già evidente nel suo posto di lavoro, che non è arredato in modo sobrio e funzionale come gli altri, ma è letteralmente invaso da numerose piante d'appartamento, tanto che alla sua scrivania si ha la sensazione di trovarsi in una piccola giungla.
Ha anche abbandonato presto l'idea iniziale del suo supervisore di dottorato Christofer Hierold e del suo co-supervisore Cosmin Roman. Quest'ultimo intendeva infatti sviluppare sensori tattili a base di silicio. Tuttavia, Weichart ha deciso di integrare i sensori direttamente in un substrato flessibile, in modo da poterli attaccare più facilmente a superfici irregolari e morbide. "All'inizio il mio supervisore era un po' scettico, ma ripensandoci credo che la decisione sia stata quella giusta", dice Weichart.
Sensori invece di energia di fusione
Il fatto che ora stia lavorando alla pelle artificiale dei robot è dovuto in ultima analisi a ostacoli burocratici. In realtà aveva progetti di carriera completamente diversi. Dopo il termine degli studi in ingegneria meccanica all'ETH di Zurigo, è passato inizialmente all'industria, dove ha sviluppato processi al plasma per l'incisione e il rivestimento di circuiti integrati presso Evatec AG. Dopo tre anni è tornato alla ricerca.
La tecnologia della fusione lo aveva attirato come una promettente forma di energia. "Quando ha chiesto referenze a Christopher Hierold, che aveva già supervisionato la sua tesi di Master, gli è stata offerta l'opportunità di collaborare al progetto del sensore.
"L'esperienza industriale è molto preziosa per me", spiega Weichart. "Non è necessario reinventare la ruota ovunque, ma spesso è più promettente costruire qualcosa di nuovo basandosi su tecnologie conosciute". Con il suo lavoro non mira alla perfezione accademica, ma alla rilevanza pratica. "L'uso di tecnologie collaudate è vantaggioso anche per quanto riguarda un'eventuale fondazione dell'azienda. "Come start-up, non si può controllare l'intera catena del processo, bisogna esternalizzare le singole fasi", afferma.
Ma non è ancora arrivato a destinazione. "Mi resta ancora un anno come dottorando", spiega. "Se continuerà a sviluppare il progetto in prima persona, ad esempio come Pioneer Fellow, dovrà riflettere attentamente su quale area di applicazione concentrarsi. La robotica medica, la telerobotica, la robotica di magazzino o persino le protesi sono tutte aree in cui vede possibili applicazioni. Ma fare giustizia di tutti questi ambiti va oltre la portata di questa fase di sviluppo.
Non perdere la concentrazione
Non perdere la concentrazione sarà probabilmente la sua sfida più grande ancora per un po'. "Non sono ossessionato dai dettagli e riesco ad appassionarmi rapidamente a nuovi argomenti", dice Weichart. "La microtecnica, lo sviluppo dell'elettronica, l'integrazione dei materiali, la meccanica di precisione, l'elaborazione dei dati e il riconoscimento dei modelli con l'intelligenza artificiale: c'è ancora molto da fare per Weichart in tutti questi campi.
Anche un'attività sportiva regolare lo aiuta a concentrarsi. "Vado spesso in montagna in bicicletta o con gli sci da alpinismo, nuoto nel lago in inverno e alleno la mia coordinazione e la fiducia in me stesso con la boxe e il combattimento libero", dice. "Questo mi aiuta a schiarirmi le idee e a concentrarmi".
