I-Seed: robot biodegradabili e intelligenti ispirati ai semi per il monitorare suolo e aria
Un progetto a guida italiana che punta a ottenere due tipi di robot soft, miniaturizzati, auto-distribuibili e biodegradabili
[4 Marzo 2021]
Il Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr) è convinto che «I nuovo progetto europeo “I-Seed” combinerà robotica bioispirata, materiali soffici e innovativi, e intelligenza artificiale per sviluppare robot innovativi ispirati ai semi delle piante e in grado di agire come sensori per il monitoraggio dei parametri di salute del suolo, quali la presenza di inquinanti, e dell’aria, come i livelli di CO2, temperatura e umidità.
Il progetto, finanziato con un contributo di 4 milioni di euro dall’Unione europea nell’ambito del bando FET Proactive Environmental Intelligence 2020, volto a incentivare progetti di ricerca che delineino una strategia europea in merito a un sistema di intelligenza ambientale, sarà coordinato da Barbara Mazzolai, dell’Istituto italiano di tecnologia (Iit), e coinvolgerà l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, l’Istituto sull’inquinamento atmosferico del Cnr (Cnr-Iia), il Leibniz-Institut für Neue Materialien (Germania), la Wageningen Universiteit (Paesi Bassi) e Olyseus Innovations (Cipro). La Mazzolai, vicedirettore per la Robotica dell’IIT, sottolinea che «Comprendere, monitorare, ripristinare e preservare l’equilibrio degli ecosistemi naturali è necessario per salvaguardare la biodiversità delle specie. “Con un team fortemente multidisciplinare, il nostro progetto mira a sviluppare nuove tecnologie che siano rispettose dell’ambiente e dall’ambiente sono ispirate, come appunto la morfologia e le capacità di dispersione dei semi delle piante. Tali nuovi robot saranno utili per proteggere e migliorare la qualità dell’aria e del suolo e gestire efficacemente le risorse naturali».
Al Cnr evidenziano che «I “semi intelligenti”, i robot I-Seed, saranno biodegradabili, rispettando così l’ambiente. I ricercatori di “I-Seed” si ispireranno, come ha fatto Leonardo da Vinci con la sua “vite aerea”, al comportamento dei semi delle piante; le piante, infatti, utilizzano diverse strategie di dispersione dei semi, come quella aerea, tramite il vento, o mediante strutture che rendono i semi capaci di scavare per penetrare nel suolo, come i semi di Samara e quelli di Erodium cicutarium, rispettivamente. Tali capacità sono utilizzate dalle piante per sopravvivere e replicarsi, ed è un aspetto fondamentale per l’ecologia vegetale e per garantire il benessere delle generazioni future. Il progetto “I-Seed”, quindi, si concentrerà sullo studio della morfologia dei semi delle piante, delle loro abilità di dispersione e anche sullo studio di materiali biodegradabili multifunzionali».
L’obiettivo principale è quello di ottenere due tipi di robot soft, miniaturizzati, auto-distribuibili e biodegradabili con caratteristiche differenti: I-SEED ERO e I-SEED SAM.
Al Cnr spiegano che «I-Seed ERO sarà un robot soffice in grado di penetrare nel terreno attraverso un movimento reso possibile dalla sua particolare forma a “cavatappi”, mentre il robot I-Seed SAM volerà e opererà in aria e sulla superficie del terreno. La procedura di dispersione dei semi avverrà attraverso un drone che li spargerà sui terreni di campi coltivati o praterie e – mediante l’uso di un software specifico – i ricercatori saranno in grado di tracciare la loro posizione precisa e monitorare le condizioni del terreno. Per facilitare la procedura di tracciamento, i semi intelligenti saranno fluorescenti e i droni utilizzeranno un sistema LIDAR per rilevarli a distanza. Tutto ciò permetterà di usare gli I-Seed robots anche in aree geografiche dove al momento non è presente alcuna forma di monitoraggio ambientale».
Entrambi i robot I-Seed verranno utilizzati per rilevare parametri ambientali grazie all’applicazione di materiali multifunzionali che fungono allo stesso tempo sia da sensori che da attuatori. I ricercatori spiegano ancora che «Questi innovativi semi robotici si degraderanno grazie ai polimeri utilizzati per la loro produzione, combinando anche materiali soffici e rigidi per le parti in movimento (PLA, PLC, Hydrogel)». Poi il progetto “I-Seed” implementerà le reti di sensori con «Una struttura innovativa, a basso costo ed ecologicamente responsabile, poiché costituita da materiali biodegradabili».
I ricercatori dell’IIT si occuperanno della progettazione e realizzazione dei due robot I-SEED ERO e I-SEED SAM, partendo dallo studio della biomeccanica dei semi naturali e investigando nuove soluzioni ingegneristiche, di progettazione e di materiali bioispirati. Il gruppo, coordinato dalla Mazzolai, ha una forte expertise nello sviluppo di prototipi robotici bioispirati. Nel 2012 la Mazzolai è stata infatti coordinatrice del progetto europeo che ha dato vita al primo robot pianta al mondo, il Plantoide, capace di riprodurre il comportamento delle radici, e dal 2019 coordina il progetto, GrowBot, per lo sviluppo di robot ispirati alle piante rampicanti.
Antonio De Simone e Alessandro Lucantonio, dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, contribuiranno allo sviluppo di modelli matematici che serviranno per definire la mobilità dei due robot progettati all’interno di “I-Seed”. I modelli saranno utilizzati per interpretare il comportamento dei semi vegetali e per ottimizzare le prestazioni di quelli ingegnerizzati.
Il gruppo di lavoro del Cnr-Iia, coordinato da Nicola Pirrone, studierà la rete di sensori per l’analisi ambientale capaci di funzionare in scenari reali, e identificherà i siti dove i robot seme verranno testati. Inoltre contribuirà alla definizione di protocolli di standardizzazione per il loro funzionamento nonché alla realizzazione dell’infrastruttura cloud per la condivisione dei dati e l’interoperabilità dei sistemi di fog/edge computing attraverso l’utilizzo di modelli di intelligenza artificiale.