Filose, parla italiano il nuovo robot subacqueo che nuota e sente come un pesce

[23 luglio 2013]

Negli ultimi anni i robot subacquei vengono sempre più utilizzati in diversi settori industriali e civili e vengono utilizzati dai ricercatori per studiare gli oceani, sono stati essenziali per scoprire o studiare un grande numero di animali e piante che vivono a grandi profondità e/o in ambienti estremi come i camini vulcanici sottomarini  nel loro ambiente naturale.

Cordis, il bollettino scientifico dell’Unione europea, spiega che «Ora, è apparsa una nuova classe di robot subacquei che copia dei concetti che si trovano in natura. Questi veicoli “biomimetici” possono raggiungere livelli più alti di efficienza nella propulsione e di manovrabilità copiando i design di successo presenti in natura».

Uno di questi progetti progettati dall’Ue si chiama Fish Locomotion and Sensing (Filose) e secondo Cordis «Sta affrontando un collo di bottiglia fondamentale per la robotica subacquea, vale a dire il problema di capire in che modo i pesci percepiscono l’ambiente sottomarino. Un pesce che nuota nel suo ambiente naturale è in grado di sentire il flusso dell’acqua che lo circonda e di reagire ai cambiamenti di direzione del flusso. I partner del progetto Filose, guidati dal Centro per la biorobotica del Politecnico di Tallinn, ritengono che quando saranno riusciti a capire come funziona con i pesci, essi potranno applicare quella conoscenza allo sviluppo di migliori robot subacquei».

Filose, finanziato dall’Ue con 1,8 milioni di euro, ha quindi messo a punto un pesce-robot in grado di reagire ai cambiamenti di flusso e di turbolenza dell’acqua, come farebbe un pesce che nuota in correnti veloci o vicino alla costa. Il prototipo potrà essere usato per riprendere e studiare l’habitat marino nelle vicinanze della costa, dove i robot sottomarini tradizionali con propulsione ad elica incontrano grandi difficoltà di manovra a causa dei bassi fondali, delle alghe e dei vortici creati dalle onde, permettendo così il  monitoraggio di una zona che comprende gli ecosistemi più produttivi del  mondo.

Filose, cha vede la partecipazione fondamentale dell’ Istituto italiano di tecnologia (Iit) di Genova  e dell’università di Verona, oltre che delle università di Bath e del politecnico di Riga, ha sviluppato un importantissimo strumento sperimentale fondamentale:  «Un prototipo robot che assomiglia e si comporta come un pesce. Il “pesce Filose” somiglia a una trota arcobaleno non solo come forma, ma anche nel comportamento; le trote sono “nuotatori subcarangiformi”, ovvero pesci che si muovono in avanti creando delle onde nella parte posteriore del corpo, mentre la parte anteriore rimane quasi rigida».

I ricercatori ne spiegano il funzionamento: «La coda del pesce Filose è mossa da un singolo servomotore collocato nel suo torace. Esso crea un movimento ondulatorio che viaggia attraverso il corpo e spinge in avanti il robot». Inoltre la coda del pesce può essere cambiata «Per studiare in che modo le proprietà dei materiali modificano l’efficienza e lo schema di nuoto del robot. La testa del robot è invece a tenuta stagna e contiene sensori e sistemi elettronici per controllare il pesce. Gli esperimenti sono stati effettuati in laboratorio usando una vasca di flusso. I ricercatori del progetto hanno determinato che i robot equipaggiati in questo modo non solo cercano le zone in cui le correnti perturbate sono più deboli, ma che possono addirittura usare i vortici per farsi aiutare nella spinta propulsiva».

Il consorzio scientifico che ha lavorato al progetto dice che i  risultati sono stati rivoluzionari: «Siamo riusciti a sviluppare il primo robot subacqueo in assoluto che percepisce la corrente dotato di navigazione aiutata dal flusso e che si adatta alla corrente. Un passo chiave nella progettazione del robot è stato lo sviluppo di una cellula cigliata artificiale che imita la fisiologia della percezione delle naturali cellule cigliate. Il progetto ha inoltre fondato nuove strutture per la ricerca idrodinamica e ha formato del personale per proseguire il lavoro iniziato nell’ambito di Filose. Presi tutti assieme, i risultati promettono di condurre a nuove tecnologie subacquee che potrebbero aiutare l’industria del gas e del petrolio, lo sminamento umanitario sottomarino, il monitoraggio ambientale, le operazioni di ricerca e salvataggio, le attività antiterrorismo, la sorveglianza dei porti, la sicurezza costiera e la gestione della pesca, e molto altro ancora. Tutti sentiranno l’impatto dei robot subacquei più efficienti e con migliori prestazioni».

Per l’istituto italiano di tecnologia hanno lavorato Jean-guy Fontaine, Francesco Ricci, Massimo DeVittorio, Cecilia Tapia e Julien Jenvrin e l’Iit spiega che «I compiti specifici del dipartimento Tera (dipartimento di telerobotica ed applicazioni, ndr) riguardano il controllo della locomozione robotica ispirata ai pesci e la generazione di pattern. Più dettagliatamente, il gruppo di ingegneri Tera sta realizzando il sistema integrato. Il sistema integrato include una nuovissima scheda Arm9, usata come nucleo del robot, un sistema di acquisizione e digitalizzazione di dati interamente progettato e realizzato nel nostro laboratorio.

Questo progetto ci ha dato la possibilità di realizzare la scheda integrata Aem9 in collaborazione con una società italiana. Anche dietro lo sviluppo del software integrato c’è molto lavoro. Abbiamo realizzato da zero un kernel Linux specifico, un sistema root file, dei kernel drivers Linux e un software applicativo. La sinergia di questo progetto ci permette di collaborare fianco a fianco con la struttura Iit di nanobiotecnologia, guidata del direttore scientifico Roberto Cingolani, incaricato della progettazione e della realizzazione del sistema sensoriale, detto la ‘linea laterale’».

Infatti uno dei compiti che si era dato il progetto è stato lo sviluppo di un sensore che imita  la “linea laterale”,  l’organo sensoriale che permette ai pesci di percepire il flusso dell’acqua circostante e di reagire alle turbolenze. Robot ed sistema di propulsione sono stati progettati in Estonia e in Lettonia, i ricercatori dell’Iit hanno sviluppato la linea laterale artificiale usando tecnologie micro-elettromeccaniche e progetteranno l’elettronica per la raccolta e il filtraggio dei dati raccolti dalla linea laterale e il controllo complessivo del sistema. I ricercatori dell’Università britannica di Bath si sono occupati degli aspetti biologici del progetto.

Per l’università di Verona, fin dal 2009, partecipano al progetto Paolo Fiorini,  Otar Akanyeti e Camilla Fiazza,  del laboratorio “Altair” di robotica, che  hanno riprodotto  le funzioni del sistema nervoso del pesce con  un software interamente made in italy.  

Il  software sviluppato dal  team coordinato da Fiorini, professore associato di Automatica del dipartimento di Informatica, permette al pesce robotico di identificare i cambiamenti di turbolenza nell’ambiente che lo circonda, interpretarli  e modificare i propri movimenti per reagire in maniera opportuna.

Fiorini spiegava già all’inizio dell’avventura di Folose che «Lo studio del sistema neuro-motorio degli animali è una delle frontiere più affascinanti della ricerca odierna e la robotica permette di verificare sulle macchine le varie ipotesi scientifiche. Il pesce  robot che stiamo costruendo ci permetterà di studiare come i pesci elaborano i dati di pressione e di flusso dell’acqua per controllare il movimento del proprio corpo e raggiungere l’incredibile efficienza del 95% nel nuoto. Questo progetto permette di unire una ricerca scientifica affascinante a delle possibili ricadute economiche molto interessanti».