Esempi di Progetti che Utilizzano Strumenti AR per

Il controllo automatico del funzionamento di un sistema è limitato se si utilizza un semplice software con sole opzioni predefinite. Sempre più spesso, i sistemi vengono resi intelligenti tramite l’intelligenza artificiale, dove gli algoritmi di controllo imitano la natura. Rendere questi sistemi “intelligenti” implica l’uso di algoritmi di intelligenza artificiale che forniscono capacità di controllo critiche come acquisizione di conoscenza, rappresentazione e riassegnazione in condizioni di incertezza, pianificazione, visione, tracciamento di volti e caratteristiche, elaborazione del linguaggio, mappatura e navigazione, elaborazione del linguaggio naturale e apprendimento automatico. In generale, l’intelligenza artificiale è un ramo dell’informatica che studia i requisiti computazionali per compiti come percezione, riassegnazione e apprendimento, al fine di sviluppare sistemi che eseguano queste capacità. Migliorare la comprensione della cognizione umana permette sempre più agli scienziati di comprendere i requisiti dell’intelligenza in generale e consente lo sviluppo di dispositivi intelligenti, agenti autonomi e sistemi che cooperano con l’uomo per potenziarne le capacità.

Numerosi esempi di meccanismi sono stati ispirati dall’osservazione della biologia; qui ne vengono forniti alcuni esempi.

●        Motori lineari “inchworm”

L’inchworm biologico è un bruco di un gruppo di falene chiamate Geometridae, che possiede sei zampe anteriori e quattro posteriori. Emulare il meccanismo di mobilità di questa larva, o bruco, ha portato allo sviluppo di motori e attuatori lineari noti come “inchworm”. Questi motori, disponibili in commercio, sono azionati da attuatori piezoelettrici (prodotti da aziende come Burleigh Instruments). Possono muoversi a una velocità di circa 2 mm s−1 con una risoluzione nell’ordine dei nanometri, offrendo centinaia di millimetri di corsa. Le forze generate da questi motori possono superare i 30 N, con assenza di gioco e alta stabilità. Il loro contenuto non magnetico offre vantaggi per applicazioni in strumenti di test come le apparecchiature per la risonanza magnetica (MRI). Rispetto ai muscoli biologici, gli inchworm piezoelettrici non dissipano energia quando mantengono la posizione.

I meccanismi inchworm presentano molte configurazioni, dove il principio di funzionamento unificante utilizza due freni e un estensore. Questi motori eseguono passi ciclici in cui il freno posteriore blocca un’asta, e un estensore spinge in avanti il freno anteriore. Successivamente, il freno anteriore blocca l’asta, rilasciando il freno posteriore e retraendo l’estensore per avanzare di un passo, che può essere piccolo fino a 1 nm.

^{Figura 6. (a) Un vero inchworm, (b) schizzo laterale di un inchworm e (c) schizzo delle sue principali strutture muscolari. Crediti: Wang, et al. ©2014 IOP Publishing}

Infatti, come progetto per studenti, essi esplorano come il movimento dell’inchworm abbia ispirato i motori piezoelettrici, comprendendone i principi di mobilità, efficienza e applicazioni pratiche in dispositivi come i sistemi MRI.

Focus Potenziato con la Realtà Aumentata (AR)

Utilizzando la realtà aumentata, gli studenti possono:

1. Visualizzare in 3D la biomeccanica del movimento dell’inchworm.
2. Simulare come gli attuatori piezoelettrici replicano questo movimento nei motori lineari.
3. Prototipare virtualmente progetti di motori bio-ispirati, testandone funzionalità ed efficienza.
   

• Meccanismi di pompaggio

I meccanismi di pompaggio in natura offrono un ottimo modello per dispositivi di pompaggio di fluidi e gas. La natura utilizza vari meccanismi di pompaggio che sono impiegati anche nelle pompe meccaniche. I polmoni pompano aria dentro e fuori (pompaggio tidale) tramite l’uso del diaframma che consente la respirazione con il supporto dei muscoli intercostali. Il pompaggio peristaltico è una delle forme più comuni di pompaggio nei sistemi biologici, dove i liquidi vengono spinti nella direzione desiderata. Questo tipo di pompaggio è comune nel sistema digerente. Il pompaggio tramite valvole e camere che cambiano volume si trova nei cuori umani e animali, con espansione e contrazione delle camere. L’uso di valvole unidirezionali è fondamentale per il flusso sanguigno all’interno delle vene, dove la pressione è più bassa.

^{Figura 7. Pompa tidale, https://www.slideshare.net}

Considerando questo meccanismo come progetto per studenti, essi esplorano i meccanismi naturali di pompaggio come il cuore umano o la peristalsi nel sistema digerente.

Potenziato con la Realtà Aumentata:

• Utilizzare strumenti AR come Merge Cube per creare modelli 3D interattivi di pompe biologiche, permettendo agli studenti di esplorarne anatomia e funzionalità.
• Le simulazioni possono mostrare la dinamica dei fluidi, illustrando come valvole unidirezionali e differenze di pressione consentano un trasporto efficiente dei fluidi.
• Gli studenti possono progettare prototipi virtuali di pompe bio-ispirate per applicazioni come dispositivi medici o sistemi di irrigazione.