Le pinze robotiche offrono una combinazione senza precedenti di forza e delicatezza

I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un dispositivo di presa robotico sufficientemente delicato da raccogliere una goccia d'acqua, abbastanza forte da sollevare un peso di 6,4 chilogrammi (14,1 libbre), abbastanza abile da piegare un panno e abbastanza preciso da raccogliere microfilm 20 volte più sottili di un capello umano. Oltre alle possibili applicazioni produttive, i ricercatori hanno anche integrato il dispositivo con una tecnologia che consente di controllare la pinza tramite i segnali elettrici prodotti dai muscoli dell’avambraccio, dimostrandone il potenziale per l’uso con le protesi robotiche.

"È difficile sviluppare un'unica pinza morbida in grado di gestire oggetti ultramorbidi, ultrasottili e pesanti, a causa dei compromessi tra forza, precisione e delicatezza", afferma Jie Yin, autore corrispondente di un articolo sul lavoro e un associato professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la NC State. "Il nostro design raggiunge un eccellente equilibrio tra queste caratteristiche."

Il design delle nuove pinze si basa su una precedente generazione di pinze robotiche flessibili che si ispiravano all’arte del kirigami, che prevede sia il taglio che la piegatura di fogli di materiale bidimensionali per formare forme tridimensionali.

"Anche le nostre nuove pinze utilizzano il kirigami, ma sono sostanzialmente diverse, poiché abbiamo imparato molto dal design precedente", afferma Yaoye Hong, coautore dell'articolo e recente dottorato di ricerca. laureato presso lo Stato NC. "Siamo stati in grado di migliorare la struttura fondamentale stessa, così come la traiettoria delle pinze, ovvero il percorso lungo il quale le pinze si avvicinano a un oggetto quando lo afferrano."

Il nuovo design è in grado di raggiungere elevati livelli di resistenza e delicatezza grazie al modo in cui distribuisce la forza su tutta la struttura della pinza.

“La forza delle pinze robotiche viene generalmente misurata in base al rapporto carico utile/peso”, afferma Yin. “Le nostre pinze pesano 0,4 grammi e possono sollevare fino a 6,4 chilogrammi. Si tratta di un rapporto carico utile/peso di circa 16.000. Si tratta di 2,5 volte superiore al record precedente per il rapporto carico utile/peso, che era di 6.400. Combinata con le sue caratteristiche di delicatezza e precisione, la forza delle pinze suggerisce un’ampia varietà di applicazioni”.

Un altro vantaggio della nuova tecnologia è che le sue caratteristiche interessanti sono determinate principalmente dal design strutturale, piuttosto che dai materiali utilizzati per fabbricare le pinze.

"In termini pratici, ciò significa che è possibile fabbricare le pinze con materiali biodegradabili, come robuste foglie di piante", afferma Hong. “Ciò potrebbe essere particolarmente utile per le applicazioni in cui si desidera utilizzare le pinze solo per un periodo di tempo limitato, ad esempio quando si maneggiano alimenti o materiali biomedici. Ad esempio, abbiamo dimostrato che le pinze possono essere utilizzate per movimentare rifiuti sanitari appuntiti, come gli aghi”.

I ricercatori hanno anche integrato il dispositivo di presa con una mano protesica mioelettrica, il che significa che la protesi viene controllata utilizzando l'attività muscolare.

"Questa pinza ha fornito funzionalità migliorate per attività difficili da eseguire utilizzando i dispositivi protesici esistenti, come chiudere alcuni tipi di cerniere, raccogliere una moneta e così via", afferma Helen Huang, coautrice dell'articolo e Jackson Family Distinguished Professore presso il Dipartimento congiunto di ingegneria biomedica presso la NC State e l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill.

"La nuova pinza non può sostituire tutte le funzioni delle mani protesiche esistenti, ma potrebbe essere utilizzata per integrare quelle altre funzioni", afferma Huang. “E uno dei vantaggi delle pinze kirigami è che non sarebbe necessario sostituire o potenziare i motori esistenti utilizzati nelle protesi robotiche. Potresti semplicemente utilizzare il motore esistente quando utilizzi le pinze.

Nei test di prova, i ricercatori hanno dimostrato che le pinze kirigami potrebbero essere utilizzate insieme alla protesi mioelettrica per girare le pagine di un libro e strappare l'uva da una vite.