Riconoscere un frutto maturo, afferrarlo senza danneggiarlo e adattare automaticamente la forza della presa alla sua consistenza. Sono alcune delle capacità che potrebbero acquisire i robot agricoli grazie a una nuova generazione di sensori a film sottile capaci di riprodurre alcune funzioni della sensibilità tattile umana.
La tecnologia è al centro delle ricerche del ThinFilm Lab, il nuovo laboratorio inaugurato presso il Dipartimento interuniversitario di Fisica dell’Università e del Politecnico di Bari. A guidarlo è Anna Maria Coclite, professoressa ordinaria di Fisica, rientrata in Italia dopo un lungo percorso di ricerca internazionale che l’ha portata prima al MIT di Boston e successivamente alla Graz University of Technology, in Austria.
Il gruppo sta sviluppando sensori sottilissimi che trasformano pressione e deformazione in segnali elettrici. Applicati alle superfici di contatto di una pinza robotica, potrebbero permettere alla macchina di acquisire informazioni che i sistemi di visione non riescono a fornire direttamente.
Le prime applicazioni sperimentali riguardano la robotica agricola, ma la ricerca si estende anche al recupero di energia e, in una prospettiva più lontana, alle protesi intelligenti e ai dispositivi biomedicali.
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Una pelle sensibile al tatto per le pinze dei robot agricoli
Uno dei problemi della raccolta automatizzata della frutta è la capacità di manipolare prodotti con caratteristiche fisiche molto diverse. Dimensioni, forma, consistenza e grado di maturazione possono variare anche tra frutti della stessa specie.
I sistemi di visione artificiale permettono ai robot di individuare i frutti e valutarne alcune caratteristiche esteriori, ma l’aspetto non è sempre sufficiente per determinarne la maturazione. Anche la regolazione della presa rappresenta una difficoltà: una forza eccessiva rischia di danneggiare il prodotto, mentre una presa troppo debole può comprometterne la raccolta.
È su questi problemi che si concentra una delle applicazioni studiate dal gruppo di Coclite. Rivestendo le pinze robotiche con i sensori a film sottile, il robot potrebbe raccogliere informazioni sulla pressione esercitata e sulla risposta del frutto al contatto.
L’obiettivo è utilizzare questi segnali per distinguere meglio i frutti maturi da quelli acerbi e adattare automaticamente la presa, sia per quanto riguarda la forza esercitata sia per l’apertura delle pinze. In prospettiva, questo potrebbe ridurre la necessità di ricorrere a organi di presa differenti per prodotti diversi.
Il vantaggio, per i sistemi di raccolta automatizzati, sarebbe una maggiore capacità di adattamento alle caratteristiche dei prodotti, particolarmente importante quando si devono manipolare oggetti delicati e non perfettamente uniformi.
La ricerca è ancora in fase sperimentale. Per trasformare la sensibilità tattile in una capacità operativa del robot occorre infatti integrare i segnali dei sensori con i sistemi di controllo della macchina, che devono interpretarli e tradurli in movimenti e regolazioni della presa.
Come funzionano i sensori piezoelettrici a film sottile
La tecnologia sviluppata dal gruppo si basa sull’impiego di materiali piezoelettrici, che generano una differenza di potenziale elettrico quando vengono sottoposti a una sollecitazione meccanica.
In sostanza, quando il materiale viene premuto o deformato, produce un segnale elettrico misurabile. Questo segnale può essere utilizzato per rilevare il contatto e le variazioni di pressione.
La ricerca di Coclite nasce dal progetto europeo SmartCore, finanziato nel 2016 attraverso un ERC Starting Grant da circa 1,5 milioni di euro.
L’obiettivo originario del progetto era realizzare una pelle artificiale capace di percepire contemporaneamente tre diversi stimoli: pressione, temperatura e umidità.
Per ottenere questo risultato i ricercatori hanno sviluppato un’architettura che combina materiali con proprietà differenti, integrando un nucleo sensibile alle variazioni di temperatura e umidità con una componente piezoelettrica che permette di rilevare le sollecitazioni meccaniche.
Il risultato è un materiale multisensore estremamente sottile. Già nel 2023, la Graz University of Technology aveva presentato una versione della pelle artificiale sviluppata dal gruppo, caratterizzata da uno spessore di appena 6 micrometri e da una struttura composta da circa 2.000 elementi sensibili per millimetro quadrato.
La sfida successiva è stata portare questa tecnologia fuori dal laboratorio. Nel 2023 Coclite ha ottenuto un ulteriore finanziamento europeo, un ERC Proof of Concept da 150.000 euro, per il progetto Smart Skin, finalizzato a verificare le possibilità di applicazione e commercializzazione dei sensori.
Un passo avanti concreto ha riguardato la trasmissione dei dati. Il gruppo ha infatti sviluppato un sistema che permette di leggere i segnali dei sensori tramite Bluetooth, superando la necessità di utilizzare un collegamento fisico via cavo.
Questa evoluzione consente di realizzare prototipi portatili e di dimostrarne il funzionamento anche al di fuori dell’ambiente di laboratorio.
Dalle suole delle scarpe al recupero di energia
La stessa proprietà piezoelettrica utilizzata per misurare una pressione può essere sfruttata anche per convertire una parte dell’energia meccanica in energia elettrica.
È il principio alla base di una seconda linea di ricerca del ThinFilm Lab, dedicata al recupero energetico attraverso superfici sottoposte a sollecitazioni.
Il gruppo sta sperimentando l’impiego dei film sottili sulle suole delle scarpe e sulle pavimentazioni, per studiare come recuperare l’energia prodotta dalla pressione esercitata durante il cammino e come immagazzinarla per un utilizzo successivo.
Tra gli scenari immaginati dai ricercatori c’è anche la possibilità di realizzare scarpe capaci di contribuire alla ricarica di dispositivi elettronici durante il movimento.
Si tratta, tuttavia, di una prospettiva ancora da verificare sul piano applicativo. La quantità di energia effettivamente recuperabile e l’efficienza dei sistemi di accumulo saranno elementi decisivi per stabilire quali dispositivi potranno essere alimentati con questa tecnologia.
L’obiettivo di lungo periodo: protesi intelligenti e guanti chirurgici
Il campo da cui ha avuto origine la ricerca è quello biomedicale, dove la possibilità di riprodurre alcune funzioni della pelle umana potrebbe avere applicazioni particolarmente importanti.
Una protesi robotica può già essere progettata per eseguire movimenti complessi, ma restituire all’utilizzatore una vera sensazione tattile è una sfida ulteriore.
I sensori sviluppati dal gruppo di Coclite potrebbero contribuire alla realizzazione di protesi capaci di raccogliere informazioni sul contatto con gli oggetti, sulla pressione e sulle condizioni ambientali.
Per trasformare queste informazioni in sensazioni percepibili dall’utilizzatore occorrono però ulteriori sistemi di elaborazione e interfacciamento con il corpo umano.
Un’altra possibile applicazione riguarda i guanti per uso chirurgico, progettati per fornire informazioni tattili aggiuntive durante gli interventi.
Rispetto all’agricoltura e alle applicazioni energetiche, il biomedicale rappresenta un orizzonte più lontano, anche per la necessità di effettuare le verifiche e le sperimentazioni cliniche richieste prima dell’eventuale commercializzazione.
Da Graz a Bari, il ritorno della ricerca finanziata dall’Europa
L’inaugurazione del ThinFilm Lab rappresenta anche una tappa nel percorso di rientro in Italia di Anna Maria Coclite.
La ricercatrice, laureata in Chimica e con un dottorato conseguito a Bari, ha lavorato al Massachusetts Institute of Technology di Boston e successivamente alla Graz University of Technology, dove ha avviato la ricerca sui sensori a film sottile.
Dal 5 febbraio 2024 è professoressa ordinaria all’Università di Bari, dove ha trasferito la strumentazione scientifica utilizzata per le sue attività. Con l’apertura del nuovo laboratorio, la ricerca trova una sede stabile nel Dipartimento interuniversitario di Fisica.
«Dare il tatto alle macchine cambia il modo in cui robot, protesi e dispositivi indossabili interagiscono con il mondo», spiega Coclite. «Questa ricerca è nata lontano da qui e oggi a Bari ha le condizioni per crescere: portare la scienza di base fino a prototipi che escono dal laboratorio e incontrano agricoltura, energia e salute. I tempi sono diversi a seconda del settore, ma la direzione è chiara».
All’inaugurazione hanno partecipato anche il rettore dell’Università di Bari Aldo Moro, Roberto Bellotti, e il direttore del Dipartimento interuniversitario di Fisica, Sebino Stramaglia.
Per Bellotti, il trasferimento a Bari di un progetto di ricerca europeo insieme alla relativa strumentazione dimostra la capacità dell’ateneo di attrarre competenze internazionali e creare occasioni di collaborazione con le imprese e il territorio.
La sfida del ThinFilm Lab sarà ora trasformare le proprietà dei materiali sviluppati dalla ricerca di base in dispositivi utilizzabili in applicazioni concrete, a partire da quelle per la robotica e l’automazione agricola.
