Esoscheletri: quanto siamo vicini all’armatura di Ironman?

L’esoscheletro, detto anche “wearable robot”, non è altro che un sostegno elettromeccanico esterno, mosso e guidato a partire dalla forza propria dell’individuo. Questo sistema è tuttavia in grado di fornire forza e resistenza sovraumane all’indossatore, assistendolo in tutti i movimenti tramite vari sistemi di trasmissione.

Due formiche che combattono tra loro, è evidente la “corazza” che le ricopre completamente (Di Muhammad Mahdi Karim – Opera propria, GFDL 1.2, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9491918)

Il principio dell’esoscheletro, come molti altri spunti che hanno portato a grandi invenzioni nel corso della storia, viene dal mondo naturale; le formiche hanno un esoscheletro (come molti insetti) e sono in grado di portare per distanze considerevoli pesi 3-4 volte superiori il loro peso.

Il sistema esoscheletrico umano è in evoluzione fin dagli anni sessanta, quando diverse aziende, prevalentemente in America e nel settore militare, provarono ad elaborare sistemi per potenziare l’esercito in vista di una possibile guerra. Da allora sono stati fatti passi da gigante, specialmente negli ultimi 15 anni, grazie al miglioramento delle prestazioni delle batterie e alla miniaturizzazione delle componenti elettroniche. Attualmente esistono diversi modelli di esoscheletro, divisi a seconda degli arti che vengono potenziati e del tipo di funzionamento, su base idraulica, elettrica o pneumatica. Le strutture a funzionamento pneumatico sono da sempre ritenute le più performanti, ed infatti sono quelle attualmente oggetto della ricerca militare.

Per far capire l’evoluzione ottenuta in meno di dieci anni in questo campo, confrontiamo due modelli esoscheletrici a funzionamento idraulico.

Prototipo BLEEX (Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory)

Il BLEEX è stato sviluppato dalla Stanford University nei primi anni 2000, e permette di portare con poca fatica carichi di circa 35 kg con solo 4 l di gasolio per l’alimentazione del sistema idraulico, su una durata di circa 3 ore di autonomia. Punti forti di questo sistema sono i ben 15 gradi di libertà (per gli arti inferiori 7), cioè il numero di differenti movimenti possibili da parte della tuta esoscheletrica. I gradi di libertà sono un parametro essenziale in quanto assicurano maneggevolezza e portabilità al modello.

Lo HULC, anch’esso sviluppato dalla Stanford, è una diretta evoluzione del BLEEX: alimentato da batterie – ma presumibilmente con un sistema di generazione interno per ricaricarle- è un esoscheletro concentrato sul potenziamento della capacità di trasporto di pesi su medio lunghe distanze e sull’aiuto motorio degli arti inferiori. Rispetto al BLEEX, HULC pesa meno di un quinto e consente di trasportare fino a 90 kg di peso su distanze oltre i 5 km andando sia al passo che di corsa (massima velocità raggiunta circa 15 km/h con carico).

Prototipo HULC (Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory)

Tuttavia HULC ha evidenziato anche alcuni problemi e controindicazioni, in particolare danni muscolari e problemi sulle articolazioni dei soggetti utenti.

Lo XOS è stato progettato dalla SARCOS nel 2008, e somiglia molto ad una delle tipiche tute dei supercattivi contro cui si scagliano gli eroi della Marvel: costituito da un corpo metallico in acciaio ed alluminio e da un casco, esso riveste l’intero corpo del soggetto, proteggendolo e permettendogli di fare ripetutiti sollevamenti con pesi oltre il quintale, o di correre con 90 kg nello zaino in dotazione. Questo esoscheletro è il primo a permettere di indossare anche pesanti corazze blindate, che renderebbero il militare “a prova di proiettile”. Anche la forza degli arti superiori è stata potenziata, al punto da consentire all’utente di buttare giù con pochi pugni muri sottili. Unico punto debole, oltre alle già citate eccessive sollecitazioni alle articolazioni dei soggetti, anche quello dell’alimentazione energetica: attualmente questo esoscheletro, infatti, funziona solo se collegato con un generatore fisso.

Altri modelli sono attualmente in fase di sviluppo, e alcuni di essi sono già in commercio, non per propositi militari, ma per la riabilitazione motoria. Un ottimo esempio è lo HAL (generazioni dall’1-5), un esoscheletro già in commercio in Giappone ad alimentazione elettrica. La mancanza delle componenti idrauliche rende questi sistemi efficienti dal punto di vista energetico, leggeri e molto più versatili, ma anche molto meno performanti.

In conclusione, forse è ancora presto per parlare di Iron Man, ma possiamo dire che una volta risolto il problema dell’alimentazione energetica, gli esoscheletri saranno pronti ad entrare nella nostra quotidianità.

Di R.L.

Fonti:

  • H. Kazerooni, R. Steger: The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, pp.14-25, Vol.125, March 2006.
  • A. Zoss, H. Kazerooni: Architecture and Hydraulics of a Lower Extremity Exoskeleton. 2005 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Orlando, Florida USA, November 2005.
  • A. Chu: Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX). A dissertation for Ph.D, Dept. Mechanical Engineering. Berkeley, CA: U.C. Berkeley, 2005.
  • J.R.Steger: A design and control methodology for human exoskeletons. A dissertation for Ph.D, Dept. Mechanical Engineering. Berkeley, CA: U.C. Berkeley, 2006.
  • K.Suzuki, G.Mito, H.Kawamoto,etc: Intention-based walking support for paraplegia patients with Robot Suit HAL. Advanced Robotics, Vol. 21, No. 12, pp. 1441-1469, 2007.