Il meccanismo Flexagon potrebbe consentire la realizzazione di robot in grado di cambiare forma. / Flexagon mechanism could enable shape-shifting robots

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori hanno sviluppato un collegamento flexagon a doppia chiralità basato sulla geometria di una forma ispirata all'origami e correlata a un nastro di Möbius /

The researchers developed a dual-chiral flexagon linkage based on the geometry of an origami-inspired shape related to a Möbius strip

Un nuovo meccanismo basato su flexagoni potrebbe consentire a robot ed altri sistemi meccanici di riconfigurare continuamente la propria forma, superando potenzialmente alcuni dei vincoli meccanici che limitano i progetti convenzionali ispirati all'origami.

Il meccanismo è stato sviluppato da un gruppo guidato dal professor Jian Dai, professore emerito di meccanismi e robotica al King's College di Londra, a seguito di uno studio matematico della geometria di una struttura ispirata al flexagono. Il lavoro è descritto in dettaglio sulla rivista PNAS.

I flexagoni sono strutture piegate che possono essere manipolate tra diverse configurazioni. I ricercatori hanno sviluppato un collegamento flexagon a doppia chiralità basato sulla geometria di una forma ispirata all'origami e correlata al nastro di Möbius, sfruttando la sua capacità di invertirsi ripetutamente per creare un meccanismo in grado di riconfigurarsi continuamente.

Il progetto si basa su Origaker, un robot pluripremiato progettato dal professor Dai e dal dottor Emmanouil Spyrakos-Papastavridis del King's College. Il robot utilizzava meccanismi metamorfici ispirati all'origami che gli permettevano di cambiare forma e di attraversare diversi tipi di terreno.

Il professor Dai aveva già utilizzato l'origami per progettare confezioni di profumo economiche ed efficienti per Unilever negli anni '90.

"L'approccio attuale rappresenta un cambiamento radicale rispetto al passato in termini di struttura corporea, con inversioni/eversioni che spingono verso nuove strutture capaci di ruotare e trasformarsi continuamente con meno energia", ha affermato. "Un grande cambiamento, ma non la parola definitiva sui sistemi robotici metamorfici."

A differenza della carta, che può sopportare piegature ripetute, i materiali ingegneristici come metalli e ceramiche sono meno flessibili. Ciò può rendere difficile tradurre concetti ispirati all'origami in sistemi meccanici robusti in grado di eseguire movimenti ripetuti.

I ricercatori hanno cercato di affrontare questa sfida studiando la matematica della geometria del flexagon e utilizzandola per sviluppare un meccanismo in grado di invertirsi ripetutamente senza essere vincolato dalle interferenze meccaniche che possono verificarsi quando una struttura viene piegata o spostata attraverso molteplici configurazioni.

Diversi collegamenti flexagon possono essere connessi a formare un anello, con la struttura risultante fissata a una serie di pannelli. Gli algoritmi possono quindi controllare i collegamenti per spostare i pannelli tra diverse configurazioni.

"Uno dei principali vantaggi del nostro approccio basato sui leveraggi flexagon, e delle solide basi matematiche che abbiamo sviluppato, è che la regola di inversione di base che applichiamo ci permette di programmare un numero elevatissimo di stati funzionali diversi con un insieme limitato di attuatori o giunti", ha affermato il professor Dai. "Oltre a ridurre i costi per i produttori, questo crea una base flessibile e adattabile che ci consente di avviare lo sviluppo commerciale per un'ampia gamma di applicazioni."

La capacità di modificare la propria configurazione potrebbe consentire ai robot del futuro di adattare la propria forma fisica a diversi ambienti o compiti. Tra le potenziali applicazioni si annoverano le macchine utilizzate nelle operazioni di ricerca e soccorso, dove la capacità di modificare la forma potrebbe aiutare un robot a muoversi in ambienti differenti.

Dai intravede inoltre potenziali applicazioni nel settore delle energie rinnovabili, compresi sistemi in grado di riconfigurarsi fisicamente per migliorare la raccolta di energia solare.

"Raccogliere l'energia solare tramite robot metamorfici che cambiano forma per catturare il sole sarebbe un primo passo utile e quanto mai necessario nella transizione energetica."

Tuttavia, secondo Dai, i robot completamente autonomi in grado di cambiare forma rimangono a un livello di maturità tecnologica relativamente basso, con i progressi nell'intelligenza artificiale che si sviluppano più rapidamente rispetto all'hardware robotico sottostante.

“È necessario rendere le strutture più versatili ed agili per stare al passo con l'intelligenza artificiale in via di sviluppo. Questa è… l’‘IA fisica’: una metamorfosi biologica che si manifesta in una struttura, un robot e una macchina.

Il prossimo traguardo verso la dimostrazione di un robot in grado di modificare forma e struttura in modo completamente autonomo è l'integrazione di LLM multimodali nelle modifiche strutturali suggerite dal team del KCL.

"In questo modo si può avere sia l'intelligenza software [IA] che l'intelligenza fisica o strutturale", ha affermato il professor Dai. "Con l'intelligenza strutturale, possiamo integrare l'intelligenza artificiale in modo molto più efficace nel mondo fisico. Ci auguriamo che questa nuova generazione di robot intelligenti possa essere d'aiuto alla società, supportando le operazioni di ricerca e soccorso e la transizione energetica."

ENGLISH

A new flexagon-based mechanism could enable robots and other mechanical systems to continuously reconfigure their shape, potentially overcoming some of the mechanical constraints that limit conventional origami-inspired designs.

The mechanism was developed by a team led by Professor Jian Dai, Emeritus Professor of Mechanisms and Robotics at King’s College London, following a mathematical study of the geometry of a flexagon-inspired structure. The work is detailed in PNAS.

Flexagons are folded structures that can be manipulated between different configurations. The researchers developed a dual-chiral flexagon linkage based on the geometry of an origami-inspired shape related to a Möbius strip, using its ability to repeatedly invert itself to create a mechanism capable of continuous reconfiguration.

The work builds on Origaker, an award-winning robot designed by Professor Dai and King’s Dr Emmanouil Spyrakos-Papastavridis. The robot used origami-inspired metamorphic mechanisms that allowed it to change shape and traverse several different terrains.

Professor Dai previously used origami to design economical and efficient perfume packaging for Unilever in the 1990s.

“The current approach is a step change from then in terms of the body structure, inversion/eversion pushing novel structures capable of continuously turning and changing with less power,” he said. “A big change, but not the final word in metamorphic robot systems.”

Unlike paper, which can tolerate repeated folding, engineering materials such as metals and ceramics are less forgiving. This can make it difficult to translate origami-inspired concepts into robust mechanical systems capable of repeated movement.

The researchers sought to address this challenge by studying the mathematics of the flexagon geometry and using it to develop a linkage that can repeatedly invert without becoming constrained by the mechanical interference that can occur when a structure has been folded or moved through multiple configurations.

Several flexagon linkages can be connected in a ring, with the resulting structure attached to a series of panels. Algorithms can then control the linkages to move the panels between different configurations.

“One of the key advantages of our flexagon linkage approach, and the extensive mathematical grounding we’ve taken, is that the basic inversion rule we deploy means we can programme a huge number of different functional states with a limited set of actuators or joints,” said Professor Dai. “In addition to reducing cost for manufacturers, this creates a flexibility and adaptable basis with which to go into commercial development for a whole range of tasks.”

The ability to change configuration could allow future robots to adapt their physical form to different environments or tasks. Potential applications could include machines used in search and rescue, where the ability to alter shape could help a robot navigate different environments.

Dai also sees potential applications in renewable energy, including systems that could physically reconfigure themselves to improve solar energy collection.

“Harvesting solar energy through metamorphising robots that change shape to catch the sun would be a useful and much needed first step in the energy transition.”

However, fully autonomous shape-shifting robots remain at a relatively low technology-readiness level, according to Dai, with advances in artificial intelligence developing faster than the underlying robotic hardware.

“A structure needs to be made more versatile and dexterous, to catch up with the AI being developed. This is… ‘physical AI’: biological metamorphosis presenting in a structure, a robot, and a machine.

The next milestone towards demonstrating a fully autonomous shape-structure shifting robot is the integration of multimodal LLMs into the structural changes suggested by the KCL team.

“That way you can have software intelligence [AI] as well as physical or structural intelligence,” said Professor Dai. “With structural intelligence, we can integrate artificial intelligence much more effectively into the physical world. We hope this new generation of intelligent robots will help serve to serve the society, assisting in search and rescue efforts and in the energy transition.”

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/flexagon-mechanism-could-enable-shape-shifting-robotics?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-170826%20-%20Monday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fflexagon-mechanism-could-enable-shape-shifting-robotics&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer