Droni con zampe di falco: l’osservazione della natura per un atterraggio sicuro

Un team di ingegneri statunitense ha messo a punto un rivoluzionario sistema di atterraggio per droni, permettendo a questi utili strumenti di aggrapparsi a diverse tipologie di oggetti. L'invenzione è nata in modo molto semplice: tramite l'osservazione della natura. Fin dalla notte dei tempi infatti l'uomo ha sempre osservato la natura alla ricerca di idee innovative per superare i problemi di tutti i giorni. Il regno animale con le sue particolari forme e bizzarri comportamenti è stato ed è una fonte incredibile di ispirazione.

Gli esempi più famosi a riguardo sono sicuramente quelli legati all'osservazione ad allo studio del volo di uccelli e chirotteri, delle vere e proprie "muse ispiratrici" per le geniali menti rinascimentali come Leonardo Da Vinci.

Le centinaia di milioni di anni di selezione naturale hanno permesso l'emergere di organi complessi, di una bilanciata scelta tra costi energetici e benefici e di espedienti efficacissimi.

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Questa volta i ricercatori della Stanford University, in collaborazione con la University of Groningen, si sono focalizzati sull'atterraggio di uccelli e pipistrelli su superfici complesse, al fine di progettare zampe robotiche per permettere ai droni di "riposare" e risparmiare batteria preziosa durante svariate attività.

È stato quindi possibile mettere a punto un sistema a pinze che imita le zampe degli uccelli denominato SNAG (Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper)

Modalità di atterraggio

Eguagliare traguardi raggiunti in milioni di anni di evoluzione non è un'impresa facile. In un primo lavoro il team di ingegneri ha deciso di prendere come modello le modalità di atterraggio di alcune specie di parrocchetto, osservandoli tramite cinque telecamere ad alta velocità. Sono stati testati particolari trespoli di diversi tipi di materiale (legno, schiuma, teflon e carta vetrata) e di differenti dimensioni.

Tramite dei sensori è stata inoltre valutata la forza applicata dagli uccelli nell'afferrare e nel rilasciare la presa per la ripartenza. Sorprendentemente, come dichiarato dal dottor Roderick, l'autore principale dell'articolo, gli animali hanno mostrato una certa stereotipia nei loro movimenti compiendo le stesse manovre aeree indipendentemente dalle superfici su cui stavano atterrando.

Sono dunque le zampe che gestiscono e si adattano alla variabilità e complessità della struttura della superficie. Questo comportamento stereotipato visto in ogni atterraggio di uccelli è il motivo per cui la "S" in SNAG sta per "stereotipato".  Pochissima la differenza osservata perfino tra zampe di varie specie con diverse disposizioni delle dita, come quelle anisodattili del falco pellegrino, che ha tre dita davanti e una dietro, e le zigodattili del parrocchetto, che ha due dita davanti e due dietro, come un pappagallo.

Artigli intelligenti

Successivamente è stato progettato l'artiglio da assemblare sui droni prendendo come modello le zampe del falco pellegrino. Queste zampe robotiche presentano un resistente telaio realizzato con stampanti 3D ed un sofisticato sistema di motori e lenze a sostituire muscoli e tendini allo stesso modo in cui sono posizionati intorno alla caviglia dei veri uccelli.

Ogni gamba ha il proprio motore per muoversi e un altro per gestire la presa. Grazie a queste caratteristiche il robot assorbe l'energia dell'impatto di atterraggio e la converte passivamente in forza di presa, che può essere raggiunta in 20 millisecondi. Una volta afferrato il ramo, le caviglie di SNAG si bloccano e un accelerometro sul piede destro segnala che il robot è atterrato e attiva un algoritmo di bilanciamento per stabilizzarlo.

Le applicazioni di questa nuova tecnologia sono svariate. Attualmente i droni, utilizzati in numerosi campi come sicurezza, soccorso di persone, monitoraggio di incendi boschivi e telerilevamenti, ma anche per riprese amatoriali, soffrono degli alti costi energetici legati alla loro attività di volo, che ne limita il loro utilizzo ad operazioni di breve durata.  Permettergli di stopparsi aggrappandosi a trespoli, pareti rocciose ed altri appigli non convenzionali, potrebbe essere un buon espediente per risparmiare batterie.

Per Roderick, i cui genitori sono entrambi biologi, una delle possibili applicazioni più interessanti di SNAG è nella ricerca ambientale. A tal fine, i ricercatori hanno anche collegato al robot un sensore di temperatura e umidità al fine di registrare i parametri microclimatici in alcune zone dell'Oregon.