Un reticolo innovativo offre flessibilità e rigidità variabili con un solo materiale, aprendo nuove strade alla robotica adattiva del tipo EleBot

La natura non progetta per compartimenti stagni. Un arto, una zampa o una proboscide funzionano perché tessuti morbidi e rigidi cooperano lungo gradienti continui di elasticità, densità e resistenza. Riprodurre questa integrazione nei sistemi artificiali è sempre stato uno dei nodi più complessi della robotica avanzata. Oggi un gruppo di ricerca dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) propone una soluzione che sposta il baricentro dell’innovazione: una struttura reticolare programmabile stampabile in 3D capace di simulare comportamenti meccanici molto diversi partendo da un solo materiale espanso.

Il risultato è stato dimostrato con un robot a forma di elefante, dotato di una proboscide flessibile e articolazioni più rigide, realizzate senza cambiare composizione chimica ma intervenendo sulla geometria interna. È un passaggio rilevante perché supera uno dei limiti storici della stampa 3D multimateriale: la difficoltà di ottenere transizioni progressive di rigidità e capacità portante all’interno della stessa struttura.

“Abbiamo utilizzato la nostra tecnica di reticolo programmabile per costruire un robot elefante ispirato al sistema muscolo-scheletrico, con una proboscide morbida in grado di torcersi, piegarsi e ruotare, oltre ad articolazioni di anca, ginocchio e piede più rigide”,

afferma il ricercatore post-doc Qinghua Guan.

“Questo dimostra che il nostro metodo offre una soluzione scalabile per progettare robot straordinariamente leggeri e adattivi”.

La ricerca è stata recentemente pubblicata su “Science Advances”.

Dalla biologia ai robot: gradienti di rigidità più controllabili

Negli organismi viventi, il movimento nasce dall’interazione tra muscoli, tendini, legamenti e ossa. Si tratta di sistemi con proprietà meccaniche distribuite, non a blocchi. In robotica, invece, la progettazione ha spesso separato componenti soffici e componenti rigidi, unendoli successivamente. Questo approccio introduce discontinuità strutturali e vincoli di progetto.

La soluzione sviluppata nei laboratori CREATE dell’EPFL si basa su una lattice foam programmabile: un reticolo di celle geometriche che può essere configurato variando forma e orientamento di ogni singola unità. La ricerca, pubblicata su una rivista scientifica internazionale ad alto impatto, mostra come la modulazione geometrica consenta di controllare parametri chiave come rigidezza, deformabilità e capacità di carico.

Dal punto di vista industriale, il tema non è marginale. Secondo analisi di settore pubblicate negli ultimi anni da centri di ricerca europei e nordamericani, la robotica morbida e ibrida è tra le aree con il più alto tasso di crescita nella robotica applicata, con prospettive particolarmente forti in ambito medicale, subacqueo e di manipolazione delicata. Il collo di bottiglia resta la fabbricazione di strutture meccaniche con proprietà spazialmente variabili. La progettazione reticolare programmabile interviene esattamente su questo punto.

Geometria programmabile: milioni di celle, un solo materiale

La piattaforma sviluppata a Losanna utilizza due celle base con geometrie differenti, note come BCC (body-centered cubic) e X-cube, che, una volta stampate, producono comportamenti meccanici distinti. La vera innovazione è però la possibilità di generare celle ibride lungo uno spettro continuo tra le due configurazioni, ottenendo una variazione continua delle proprietà elastiche.

Non si tratta solo di scegliere la forma della cella. I ricercatori hanno introdotto una seconda dimensione di controllo: la posizione. Ogni cella può essere ruotata, traslata o sovrapposta ad altre lungo il proprio asse. Questa doppia programmazione (forma e posizionamento) moltiplica le combinazioni disponibili. In configurazioni dimostrative, un piccolo volume reticolare con quattro celle sovrapposte può generare milioni di varianti geometriche, mentre con cinque celle si superano decine di milioni di configurazioni possibili.

In termini di design computazionale, questo approccio si integra con tecniche di ottimizzazione topologica e simulazione numerica già diffuse nella manifattura additiva avanzata. Il progettista non definisce più solo la forma esterna del robot, ma la micro-architettura interna, con effetti diretti sul comportamento dinamico.

Josie Hughes, responsabile del laboratorio CREATE dell’EPFL, ha più volte sottolineato in interventi pubblici come la robotica stia evolvendo verso sistemi “material-driven”, in cui la funzione nasce dalla struttura oltre che dal controllo. In questa linea di pensiero, la programmabilità geometrica diventa un nuovo livello di progettazione funzionale.

Il robot elefante e le nuove frontiere della robotica morbida

Il dimostratore sviluppato dal team è un robot muscoloscheletrico bioispirato che replica diverse tipologie di giunti: piani di scorrimento, articolazioni a flessione uniaxiale e snodi biaxiali. La proboscide, elemento più complesso, combina segmenti reticolari progettati per torsione, piegamento e rotazione, mantenendo transizioni morbide tra le varie zone funzionali.

Tutto questo è ottenuto con un’unica schiuma polimerica stampabile. Il vantaggio è duplice: semplificazione del processo produttivo e maggiore continuità meccanica. Eliminando interfacce tra materiali diversi si riducono punti di debolezza e problemi di adesione, aspetti critici nei robot soft-rigid tradizionali.

Un altro elemento rilevante è il rapporto resistenza-peso. Strutture reticolari di questo tipo, simili per principio ai favi naturali, possono offrire elevata robustezza con massa ridotta. Questo è particolarmente interessante per robot mobili, sistemi volanti leggeri e dispositivi subacquei, dove ogni grammo incide su autonomia ed efficienza.

La struttura aperta della foam lattice facilita inoltre l’integrazione di sensori distribuiti e materiali funzionali all’interno del reticolo. In prospettiva, si possono immaginare robot con capacità di percezione incorporata nella struttura, non aggiunta come strato successivo.

“Come un nido d’ape, il rapporto resistenza-peso del reticolo può essere molto elevato, consentendo robot molto leggeri ed efficienti. La struttura a schiuma aperta è adatta al movimento nei fluidi e offre anche il potenziale per integrare altri materiali, come sensori, nella struttura, aggiungendo ulteriore intelligenza alle schiume”,

ha spiegato il professor Hughes.  Una linea che converge con l’idea di topologie meccaniche programmabili.

Impatto su industria, medicina e robotica in ambienti complessi

Le applicazioni potenziali sono ampie. In ambito medicale, dispositivi robotici con rigidità modulata localmente possono migliorare strumenti di manipolazione chirurgica o sistemi di riabilitazione, adattandosi ai tessuti biologici. Nella robotica di servizio, strutture leggere e deformabili aumentano la sicurezza dell’interazione uomo-macchina.

Nei contesti industriali, la possibilità di progettare componenti con proprietà meccaniche distribuite consente di ridurre il numero di parti assemblate. Meno componenti significa meno giunzioni, meno manutenzione e maggiore affidabilità. Secondo valutazioni di mercato pubblicate negli ultimi anni da osservatori internazionali sulla manifattura additiva, la tendenza è verso componenti funzionalmente integrati, con geometrie interne sempre più sofisticate.

C’è poi il tema degli ambienti difficili. Strutture reticolari porose e resistenti sono adatte a robot che operano in fluidi o terreni cedevoli. La combinazione di leggerezza e adattabilità meccanica può risultare strategica per esplorazione subacquea, monitoraggio ambientale e agricoltura avanzata.

“Questo approccio consente la fusione spaziale continua dei profili di rigidità e permette una gamma infinita di celle unitarie combinate. È particolarmente adatto a replicare la struttura di organi muscolari come la proboscide di un elefante”,

afferma il dottorando Benhui Dai.

Verso robot e automi progettati come tessuti ingegnerizzati

La direzione emergente è quella di una robotica che si avvicina all’ingegneria dei tessuti: non solo componenti assemblati, ma strutture funzionali continue in cui geometria e comportamento sono co-progettati. La programmabilità delle lattice apre a workflow in cui simulazione, ottimizzazione e stampa 3D operano come un unico processo.

Restano sfide aperte: scalabilità produttiva, certificazione dei materiali, ripetibilità delle prestazioni e integrazione con attuatori e sistemi di controllo. Tuttavia, il paradigma è chiaro. Non si tratta solo di stampare robot, ma di programmare la materia con cui sono costruiti.

Se questa traiettoria sarà confermata dai prossimi sviluppi, la distinzione netta tra robot rigidi e robot morbidi potrebbe progressivamente sfumare, sostituita da architetture ibride a proprietà distribuite. Un cambio di linguaggio progettuale prima ancora che tecnologico.

La tecnologia di stampa 3D di “tessuti” artificiali con il robot elefante

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