Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

La natura ha da tempo padroneggiato l'arte di muoversi tra i mondi. I pesci non si limitano a nuotare; essi saltano. Per sfuggire a un predatore, superare una cascata o afferrare una preda nell'aria, un pesce deve inclinare il muso verso l'alto, accelerare con un improvviso scatto di potenza e mantenere quell'angolo ripido finché non rompe la superficie dell'acqua. Questa manovra richiede un delicato equilibrio di forze: la capacità di generare un'immensa spinta in un istante, la precisione nel controllare il proprio angolo mentre lascia l'acqua e la stabilità per mantenere la propria traiettoria dritta contro la turbolenza caotica della superficie. Per decenni, gli ingegneri hanno costruito robot subacquei in grado di nuotare con una velocità impressionante o di imitare l'ondulazione aggraziata di un pesce, ma pochi sono riusciti a replicare con successo questo specifico atto di lasciare l'acqua. La maggior parte delle macchine subacquee è progettata per rimanere sommersa, e quelle che tentano di saltare spesso mancano del controllo necessario per farlo in modo affidabile, ribaltandosi fuori asse o fallendo completamente nel superare la superficie.

Un team di ricercatori dell'Università del Colorado Boulder ha ora costruito un piccolo robot che risolve questo problema, creando una macchina capace di nuotare sott'acqua, saltare in aria e atterrare nuovamente in acqua con la stessa fluidità di un pesce. Il dispositivo è grande quanto un palmo di mano, misura solo 65 millimetri di lunghezza e pesa solo 34 grammi, eppure compie una sequenza complessa di azioni che spinge ai limiti ciò che i piccoli robot subacquei possono fare. Sovrapponendo due eliche verticalmente e aggiungendo un timone di coda, il team ha creato una piattaforma che non solo può nuotare a velocità di 13,9 lunghezze corporee al secondo, ma può anche inclinare il muso verso l'alto fino a una posizione verticale in meno di un secondo. Quando decolla, supera un ostacolo alto 1,6 lunghezze corporee e percorre 3,7 lunghezze corporee in orizzontale prima di ricadere con uno schizzo nell'acqua. In un ruscello naturale con acqua corrente, il robot è riuscito a saltare ancora più in alto, raggiungendo 2,8 lunghezze corporee sopra la superficie, dimostrando che il suo design funziona anche nelle condizioni disordinate e imprevedibili del mondo reale.

Il segreto del successo di questo robot risiede nel modo in cui imita la fisica di un pesce senza copiarne esattamente la forma. Inve invece di usare una coda oscillante, difficile da controllare per scatti improvvisi di velocità, i ricercatori hanno scelto delle eliche. Hanno montato due piccoli motori ad alta velocità l'uno sopra l'altro all'interno di un corpo impermeabile stampato in 3D. Facendo ruotare l'elica superiore più velocemente di quella inferiore, o viceversa, il robot può inclinare il muso su o giù con grande precisione. Questa spinta differenziale agisce come una leva, permettendo al robot di cambiare il proprio angolo rapidamente. Per evitare che il robot ruoti lateralmente durante il movimento, hanno aggiunto un piccolo timone di coda tra le due eliche. Questo timone agisce come il timone di una barca, sterzando il robot a sinistra o a destra per mantenerlo su un percorso rettilineo. Il corpo stesso ha la forma di un profilo alare aerodinamico, un design preso in prestito dall'aviazione che permette all'acqua di scorrere fluidamente sulla sua superficie. Le simulazioni al computer hanno mostrato che questa forma riduce la resistenza di cinque volte rispetto a una semplice scatola della stessa dimensione, permettendo al robot di muoversi più velocemente e consumare meno energia.

I ricercatori hanno testato il robot prima in una vasca d'acqua di laboratorio, dove potevano misurare ogni movimento con telecamere ad alta velocità e sensori. Hanno programmato il robot per seguire una serie di comandi: nuotare dritto, inclinare il muso verso l'alto fino a un angolo specifico, accelerare verso la superficie e poi saltare. Il computer di bordo controlla costantemente l'orientamento utilizzando un sensore che misura la rotazione e la gravità, regolando la velocità delle due eliche centinaia di volte al secondo per mantenere la rotta. In questi test, il robot è stato in grado di mantenere un angolo di inclinazione costante anche quando i ricercatori lo hanno colpito per simulare un disturbo, correggendo la propria posizione entro un secondo. Quando il robot era pronto a saltare, inclinava il muso a 65 gradi, accelerava e scattava attraverso l'acqua. Senza il timone, il robot spesso ruotava su se stesso mentre lasciava l'acqua, perdendo la propria direzione. Con il timone impegnato, rimaneva perfettamente allineato, proiettandosi dritta verso l'alto e in avanti.

Il team ha poi portato il robot fuori dal laboratorio e nel Boulder Creek, un ruscello naturale con acqua in movimento e turbolenza. Qui, la sfida era molto più grande. L'acqua corrente cercava di far deviare il robot dalla rotta, e la superficie era increspata. Nonostante queste condizioni, il robot ha eseguito con successo il salto. Ha nuotato controcorrente, ha inclinato il muso verso l'alto e si è lanciato fuori dall'acqua, raggiungendo un'altezza di 2,8 lunghezze corporee. Quando il timone veniva spento durante questi test all'aperto, il robot non riusciva a mantenere la sua traiettoria, sbandando selvaggiamente e atterrando lontano dal bersaglio previsto. Ciò ha confermato che il timone era essenziale per la stabilità, non solo nella calma di un serbatoio, ma anche nell'ambiente dinamico di un vero fiume. La capacità del robot di eseguire l'intera sequenza — nuotare, inclinare, saltare e tornare — dimostra un nuovo livello di agilità per le piccole macchine subacquee.

Questo lavoro suggerisce che piccoli robot potrebbero presto essere utilizzati per ispezionare aree che attualmente sono inaccessibili a loro. Molti sistemi subacquei, come tubature, dighe e strutture allagate, presentano barriere come sbarramenti o spazi asciutti tra le pozze che impediscono a un robot di avanzare. Una macchina capace di nuotare sott'acqua e poi saltare sopra questi ostacoli potrebbe navigare attraverso ambienti complessi, ispezionando infrastrutture o monitorando la qualità dell'acqua in luoghi dove prima era impossibile andare. I ricercatori sottolineano che il loro attuale prototipo è ancora collegato a una fonte di alimentazione tramite un sottile cavo, ma i principi che hanno dimostrato forniscono una base per future versioni senza cavi. Perfezionando la dimensione della batteria e il design delle eliche, una versione completamente autonoma potrebbe un giorno saltare da una pozza all'altra, esplorando gli angoli nascosti di torrenti e sistemi industriali con la stessa facilità del pesce che l'ha ispirata.