Droni che volano e atterrano come uccelli

Con le piume e le ali a geometria variabile, il drone falco cerca di volare come un uccello. EPFL/Alain Herzog

Un drone elicottero è agile e maneggevole, ma un drone uccello può volare più a lungo e posarsi addirittura su un filo per ricaricare la batteria. Presso il Laboratorio di sistemi intelligenti del Politecnico federale di Losanna, da 15 anni ci si ispira alla natura.

“Le nostre macchine non assomigliano necessariamente alla natura, sono piuttosto un adattamento della natura, sia per il corpo sia per il cervello”, spiega Dario Floreano, direttore del Laboratory of Intelligent SystemsCollegamento esterno (LIS) e del Centro nazionale di competenze in ricerca in ambito di roboticaCollegamento esterno (NCCR).

Macchine che vengono testate prima di tutto nei sotterranei del laboratorio, in una sala alta quanto una palestra di ginnastica e grande la metà di un campo da basket, una specie di voliera con reti flessibili e sensori attaccati alle pareti che ci ricorda un set per effetti speciali di Hollywood. In un angolo c’è un ventilatore munito di numerose eliche per simulare la forza del vento e riprodurre le condizioni meteorologiche esterne.

All’inizio, i ricercatori si sono fatti ispirare dagli insetti. Per far volare i droni in sciami e autonomamente, li hanno dotati di occhi composti e di un cervello elettronico affinché fossero in grado di evitare gli ostacoli senza bisogno di un pilota.

“Ci siamo però resi conto che malgrado avessimo impiegato il miglior sistema per vedere, i droni andavano comunque a sbattere”, continua il professore. Infatti, anche gli insetti e gli uccelli vanno a cozzare contro degli ostacoli. Ma queste collisioni non li fanno cadere poiché il loro corpo è in grado di assorbire l’impatto. L’esoscheletro e le ali degli insetti sono flessibili.

Dario Floreano ha una passione per le macchine robotiche, ma non solo. NCCR Robotics

Fare come gli uccelli…

Dario Floreano e i suoi gruppi di ricerca si sono quindi concentrati sui materiali. Lo sviluppo di materiali morbidi è infatti una delle grandi sfide della robotica, non solo per la costruzione di droni. Una mano di metallo non sarà mai in grado di afferrare un oggetto o di interagire con una persona con la stessa dolcezza e precisione di una mano umana.

Dal 2018, oltre agli insetti il LIS si ispira anche agli uccelli. Il drone falco, uno dei principali progetti del laboratorio, è costituito da materiale molto leggero. Le sue ali possono modificare la loro superfice, piegarsi e inclinarsi come quelle degli uccelli visto che sono fatte di piume, non vere, bensì artificiali. “Usare piume naturali significherebbe uccidere degli uccelli, una cosa inaccettabile”, precisa Dario Floreano. Il robot uccello non sbatte ancora le ali e per questo motivo sul becco ha una piccola elica. “Un passo dopo l’altro”, dice il professore.

I muscoli che fanno muovere le ali sono tra i più efficienti in natura. Al momento, l’elica è più potente. Grazie al fatto che è in grado di modificare in volo la forma delle ali e della coda, il drone falco è più agile degli altri droni alati e ha un’autonomia doppia di un drone elicottero di pari peso.

La prossima sfida che Dario Floreano e i suoi gruppi di ricerca stanno affrontando è il volo in condizioni meteorologiche avverse. “Alcuni uccelli sanno restare in volo anche se soffia un forte vento perché sono in grado di modificare la forma delle ali. Stiamo cercando di sfruttare la morfologia adattiva dei nostri droni con un sistema di controllo intelligente per volare in condizioni impossibili per altri droni”, spiega il professore.

Artigli di metallo

Dopo il volo, la tappa successiva è stata assai logica. Se il drone vola come un uccello, non dovrebbe essere in grado di camminare e atterrare come un uccello? Il LIS ha quindi iniziato a sviluppare degli artigli robotici, capaci di appiattirsi per camminare e arcuarsi per afferrare degli oggetti.

E non è tutto. “Questi artigli gli permettono di atterrare su un ramo e in futuro vogliamo insegnargli ad atterrare su un filo elettrico per ricaricare la batteria”, spiega William Stewart, post dottorando al LIS. Al momento, il suo team è alle prese con gli artigli artificiali che sono piuttosto capricciosi, soprattutto quando il drone dovrebbe saltellare. È un fatto normale quando si fa ricerca.

E la ricerca consiste anche in un importante lavoro a livello di software. “Con l’elica, gli artigli, le ali e la coda che possono muoversi in varie direzioni, il telecomando rischia di essere troppo complesso. Dobbiamo sviluppare soluzioni basate sull’intelligenza artificiale per semplificare la guida del drone”, spiega Dario Floreano.

Falco in missione

>> Con la sottile fusoliera nera, la coda e le ali con piume rosse, il falco ha un aspetto magnifico, soprattutto in volo.

Ma a che cosa può servire? “Verrà impiegato soprattutto nel settore agricolo e del controllo ambientale”, risponde Dario Floreano. “E poi, con il tempo, potrebbe servire per il trasporto a lunga distanza. Anche qui, dobbiamo fare un passo dopo l’altro. Al momento, i nostri droni servono soprattutto per osservare”.

Alcuni droni hanno lasciato da tempo il laboratorio. Dal 2009, il LIS ha creato il SenseFlyCollegamento esterno, diventato uno dei droni maggiormente impiegati in ambito di ricognizione e mappatura e che ora fa parte del gruppo americano AgEagleCollegamento esterno, mantenendo però la sua base nel Canton Vaud.

Nel 2014 è nato poi FlyabilityCollegamento esterno, ampiamente diffuso a livello mondiale nell’esplorazione di luoghi inaccessibili. Il drone può essere manovrato facilmente all’interno di una cisterna, in una grotta o sotto un ponte senza essere necessariamente in possesso di una licenza di pilota.

>> Un drone di Flyability esplora un crepaccio nel ghiacciaio di Zermatt.

Traduzione dal francese: Luca Beti