I ricercatori del MIT stanno lavorando su un ghepardo-robot che presto potrebbe essere in grado di battere le controparti animali sul fronte dell'efficienza energetica durante la corsa. Se da una parte questo ritrovato tecnologico ha raggiunto velocità molto elevate grazie al lavoro di Boston Dynamics (Il cyber-ghepardo batte persino Usain Bolt), sotto le mani sapienti dell'assistente professore Sangbae Kim ha compiuto grandi passi avanti sotto il profilo dell'efficienza energetica. La ricerca, finanziata dalla DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) all'interno del programma Maximum Mobility and Manipulation (M3), prosegue quindi su due binari, che devono necessariamente convergere per arrivare a un uso sul campo di questo robot.
Nel corso di alcuni test sul tapis rulant, i ricercatori del MIT hanno riscontrato che il robot consuma pochissima energia e questo gli consente di "trottare" per un massimo di un'ora e mezza alla velocità di 5 mph, cioè otto chilometri orari. La chiave per migliorare e semplificare la camminata del robot è rappresentata leggerissimi motori elettrici, posti sui punti di giunzione delle anche, che producono una coppia elevata e poco calore. Questi motori possono essere programmati per regolare rapidamente la rigidità degli arti del robot e il rapporto di smorzamento in risposta a forze esterne, quali una spinta o il cambiamento di superficie. All'apparenza tutto facile, ma per arrivare a questi risultati è stato necessario un grande lavoro di studio, da non dare per scontato.
Soluzioni come LS3, che abbiamo visto in questa notizia, si muovono grazie a pesanti motori a benzina e trasmissione idraulica, mentre altri robot alimentati elettricamente necessitano di grandi batterie, ingranaggi, sensori di forza e molle per coordinare le articolazioni degli arti. È evidente che tutto queste parti portano a uno spreco di moltissima energia, specie quando gli arti devono entrare frequentemente in contatto con il terreno, al fine di far camminare rapidamente o correre il robot.
La conseguenza collaterale di una scarsa efficienza fa sì che il robot non sia autonomo, e questo è un problema se si vuole portare su un campo di battaglia, sul luogo di una sciagura o usarlo per esempio in operazioni di emergenza, come il disastro di Fukushima. Per questo gli studiosi del MIT si sono concentrati nell'identificare tutte le fonti che sprecano energia, riscontrandone principalmente tre: il calore emesso dal motore, l'energia dissipata tramite la trasmissione meccanica (attrito) e un sistema di controllo inefficiente. Per quanto riguarda quest'ultimo punto può infatti fare la differenza una camminata pesante rispetto a un'andatura più tranquilla e delicata.
Il gruppo si è così messo al lavoro per ridurre al minimo tali sprechi di energia. Per contrastare la perdita di calore dal motore, il gruppo ha lavorato su un motore con una coppia elevata, che produce una notevole quantità di coppia per un dato peso e calore. Il team ha analizzato il rapporto tra le dimensioni del motore e la coppia, progettando motori personalizzati che superano le prestazioni di coppia dei motori elettrici disponibili in commercio, oltre che richiedere un minor numero di parti. I ricercatori hanno inoltre messo a punto un sistema per far sì che gli arti robotici si comportassero come una molla o un ammortizzatore, senza però avere molle, smorzatori o sensori di forza fisici. Gli studiosi sono addirittura riusciti a sfruttare a loro vantaggio la forza dell'impatto con cui la gamba del robot colpisce il terreno.
I motori elettrici del ghepardo-robot sono in grado di catturare questa energia, rimettendola così in circolo. Inoltre il posizionamento di motori e ingranaggi sull'articolazione dell'anca riduce la perdita di energia minimizzando l'inerzia della gamba. Alcuni robot con arti sono progettati con motori e riduttori lungo ogni giunto della gamba. Questo può essere non solo ingombrante, ma può far perdere energia a ogni urto. Grazie al progetto di Sangbae Kim e il suo team, l'85% del peso della gamba è concentrato a livello dell'articolazione dell'anca, mantenendo il resto della gamba relativamente leggera.
I ricercatori hanno inoltre attaccato strisce di Kevlar per collegare le sezioni delle gambe del robot, simulando la struttura dei tendini. Il Kevlar rafforza la gamba aggiungendo poco peso, e riduce ulteriormente l'inerzia della gamba. Il team ha poi costruito una colonna vertebrale flessibile composta da anelli di gomma poliuretanica, inseriti come se fossero vertebre. Secondo Kim la colonna vertebrale si muove insieme alle gambe posteriori, e può archiviare energia elastica durante la corsa.
Una volta completato il lavoro, i test hanno dato ottimi responsi. Calcolando infatti l'efficienza della camminata del ghepardo-robot i ricercatori hanno scoperto che era superiore ai concorrenti L3S e ASIMO, il robot bipede di Honda. Gli studiosi hanno inoltre concluso che il robot, allo stato attuale, rientra nel range di efficienza tipico degli esseri umani, dei ghepardi e dei cani da caccia. Ma non è finita qui: il team sta assemblando un nuovo insieme di motori, progettati da Jeffrey Lang, professore di ingegneria elettrica del MIT, che dovrebbero consentire al robot di correre a 35 mph, circa 56 km/h, con un'efficienza tipica dei volatili. I ricercatori sono infine convinti che seguendo questo approccio si potrà superare la biologica muscolare sotto molti aspetti: potenza, coppia e reattività in primis.