Nel panorama tecnologico contemporaneo, la robotica sta giocando un ruolo sempre più centrale in una vasta gamma di settori, dalla manifattura alla sanità, passando per i servizi professionali. Questo incremento di utilizzo solleva interrogativi fondamentali su come ottimizzare le interazioni tra esseri umani e robot, specialmente quando si tratta di garantire la sicurezza e l’efficienza nelle operazioni quotidiane. Un aspetto cruciale di questa interazione è la capacità dei robot di prevedere e rispondere in modo preciso alle azioni umane. Per raggiungere questi obiettivi, i ricercatori stanno sviluppando soluzioni innovative basate su metamateriali e antenne piatte altamente integrate. Queste tecnologie, denominate “pelle intelligente“, promettono di rivoluzionare la comunicazione e il rilevamento nel campo vicino, offrendo un’accuratezza senza precedenti e una maggiore sicurezza.
La comunicazione uomo-robot
Negli ultimi anni, l’integrazione della robotica nei processi produttivi e nei servizi ha subito una crescita esponenziale. Questo cambiamento ha portato a un aumento della domanda di interazioni fisiche più sicure ed efficienti tra esseri umani e macchine. La capacità dei robot di comprendere e anticipare le azioni umane è essenziale non solo per migliorare l’efficacia dei processi industriali, ma anche per garantire la sicurezza degli operatori. In tale contesto, la progettazione di sistemi di rilevamento avanzati e di comunicazione più efficiente diventa cruciale.
Il progetto FITNESS (Flexible IntelligenT NEarfield Sensing Skins) dell’Unione Europea emerge come una risposta innovativa a queste esigenze. Coordinato dall’Université catholique de Louvain (UCLouvain) e finanziato dall’Unione Europea, il progetto riunisce sei partner di spicco, tra cui l’Istituto Fraunhofer per la fisica ad alta frequenza e le tecniche radar FHR, il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), eV-Technologies, l’Università di Tecnologia di Amburgo (TUHH), la Facoltà di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università di Zagabria e L-up.
Pelle intelligente: la tecnologia delle antenne metasuperficiali
La chiave del progetto FITNESS è lo sviluppo di antenne metasuperficiali integrate in superfici metamateriali elettromagnetiche. Queste antenne piatte e flessibili, progettate per adattarsi ai contorni dei robot, offrono una soluzione altamente versatile per il rilevamento e la comunicazione. La “pelle intelligente” non solo avvolge i robot come una seconda pelle, ma è anche capace di piegarsi e allungarsi a seconda delle necessità, migliorando la capacità del robot di interagire con l’ambiente circostante.
Andrej Konforta, responsabile del gruppo 3D-Print HF Systems presso Fraunhofer FHR, evidenzia l’innovazione delle antenne metasuperficiali: “Quello che distingue la nostra soluzione di antenna è la sua capacità di scansionare l’ambiente near-field e rilevare il movimento, mentre è ancora abile nella comunicazione via radio con la stazione base in officina“. Questa tecnologia rappresenta un’evoluzione significativa rispetto alle antenne tradizionali, offrendo una precisione di rilevamento e una qualità di comunicazione superiori.
Il beamforming e le geometrie ridotte
Un’altra caratteristica fondamentale delle antenne metasuperficiali è il supporto al beamforming, una tecnica avanzata che consente di controllare elettronicamente le proprietà di radiazione di un’antenna. Il beamforming permette di dirigere il raggio elettromagnetico in modo preciso verso la stazione base, garantendo un segnale più forte e stabile. Tradizionalmente, il beamforming è realizzato tramite array di antenne “phased“, che sono costosi e complessi da gestire. Le antenne metasuperficiali, invece, offrono una soluzione più compatta e meno costosa, con una progettazione semplificata senza compromettere le prestazioni.
Konforta spiega: “Le superfici metamateriali ci permettono di progettare antenne con geometrie molto piccole, ma con un alto grado di libertà nella progettazione dei campi emessi. Questo è particolarmente utile per migliorare la rilevazione dei segnali gestuali e per garantire una comunicazione più precisa e affidabile“.
Sviluppo di nuovi substrati per antenne
La progettazione e la realizzazione di antenne metasuperficiali richiedono substrati adeguati che possano sostenere alte frequenze senza compromettere la flessibilità. I materiali tradizionali, pur essendo rigidi e adatti alle microonde, non sono sempre ideali per applicazioni ad alta frequenza. Per superare questa limitazione, TUHH e l’Institute of Applied Polymer Physics (IAPP) stanno sviluppando nuovi substrati estensibili che combinano polimeri e particelle ceramiche. Questi nuovi materiali mirano a migliorare la trasmissione dei segnali ad alta frequenza, offrendo così una soluzione più adatta alle esigenze della pelle intelligente.
I ricercatori stanno anche ottimizzando le configurazioni di misura esistenti e ampliando il loro utilizzo a diverse bande di frequenza. Allo stesso tempo, si sta sviluppando un software avanzato per la configurazione finale delle antenne, che garantirà prestazioni ottimali in varie condizioni operative. Una parte fondamentale del progetto è lo studio delle deformazioni delle superfici estensibili e il loro impatto sulle proprietà di rilevamento, con l’obiettivo di sviluppare antenne metasuperficiali autocalibranti in grado di adattarsi autonomamente alla loro curvatura e forma.
Le antenne metasuperficiali non sono solo una svolta nella robotica industriale. La tecnologia ha il potenziale per influenzare diversi altri settori. In ingegneria medica e robotica, per esempio, la pelle intelligente potrebbe migliorare l’interazione dei robot di assistenza con gli esseri umani, rendendo questi dispositivi più sensibili e reattivi ai segnali gestuali e alle richieste degli utenti. Inoltre, la tecnologia potrebbe trovare applicazioni nei dispositivi di protezione individuale, come tute antincendio e tute spaziali, dove una comunicazione e un monitoraggio precisi sono cruciali per la sicurezza e l’efficacia delle operazioni.
