SEOULTECH combina strutture TPMS e intelligenza artificiale per ridurre i consumi
Un gruppo di ricercatori della Seoul National University of Science and Technology, conosciuta come SEOULTECH, ha sviluppato una nuova tipologia di piede deformabile per robot quadrupedi basata su strutture TPMS stampate in 3D.
Il sistema è stato progettato per assorbire una parte dell’energia generata durante l’impatto del piede con il terreno e restituirla nella fase successiva del passo. Abbinando i componenti meccanici a un algoritmo di controllo basato sul deep reinforcement learning, i ricercatori hanno ottenuto una riduzione del consumo elettrico compresa tra l’1,4% e il 6,2%, in funzione della velocità di avanzamento.
Lo studio è stato realizzato da Kang-Hui Lee, Delgermurun Bartogtokh, Jung-Yup Kim e Keun Park della SEOULTECH, insieme a Mahdi Bodaghi della Nottingham Trent University. I risultati sono stati pubblicati nel maggio 2026 sulla rivista International Journal of Precision Engineering and Manufacturing–Green Technology, edita da Springer Nature per la Korean Society for Precision Engineering.
Le prove sono state condotte sul robot quadrupede RBQ-10 prodotto dalla società sudcoreana Rainbow Robotics. Il confronto è stato eseguito sostituendo i piedi emisferici pieni del robot con moduli porosi dotati di differenti architetture TPMS.
Perché i robot quadrupedi consumano più energia dei veicoli su ruote
I robot quadrupedi possono attraversare scale, terreni sconnessi, pendenze e ostacoli che limitano i veicoli dotati di ruote. Questa capacità li rende adatti alle ispezioni industriali, alla sorveglianza, alla ricerca di persone, alle operazioni di soccorso e alla movimentazione di piccoli carichi.
La mobilità articolata comporta però un costo energetico elevato. Ogni gamba deve essere accelerata, frenata e riposizionata più volte durante il ciclo di camminata. I motori devono inoltre sostenere il corpo del robot, controllarne l’equilibrio e compensare le irregolarità del terreno.
Quando un piede rigido tocca il suolo, una parte dell’energia cinetica viene dissipata sotto forma di vibrazioni, deformazioni del terreno, rumore e calore. I motori devono quindi fornire nuova energia per completare il passo e spingere il robot nella direzione desiderata.
La perdita diventa particolarmente rilevante alle velocità basse e intermedie, tipiche delle attività di ispezione. In queste condizioni, il robot non sfrutta pienamente gli effetti dinamici che possono rendere più efficiente una corsa veloce.
Per un robot alimentato a batteria, anche una riduzione percentuale contenuta può aumentare la durata delle missioni o permettere di riservare una parte maggiore dell’energia disponibile ai sensori, ai sistemi di comunicazione e agli strumenti trasportati.
L’idea di spostare la funzione elastica nel piede
Una delle soluzioni utilizzate nella robotica consiste nell’inserire molle, elementi elastici o attuatori con comportamento cedevole all’interno delle gambe.
Questi componenti possono immagazzinare energia quando la gamba viene caricata e restituirla durante la fase di spinta. La soluzione richiede però modifiche alla struttura meccanica, aumenta il numero di componenti e può rendere più complessa la regolazione del sistema.
Il gruppo della SEOULTECH e della Nottingham Trent University ha seguito un percorso diverso. Invece di intervenire sulle articolazioni del robot, i ricercatori hanno incorporato la deformabilità direttamente nel punto di contatto con il terreno.
Il piede diventa così un componente capace di modificare la risposta dinamica della macchina senza richiedere una riprogettazione completa della gamba.
Secondo Keun Park, questa configurazione può rappresentare un’alternativa pratica ai tradizionali meccanismi elastici montati lungo gli arti. La rigidezza del piede può essere regolata attraverso la geometria interna, lasciando invariata gran parte dell’architettura del robot.
Che cosa sono le strutture TPMS
L’acronimo TPMS indica le Triply Periodic Minimal Surfaces, superfici minime periodiche nelle tre direzioni dello spazio.
Si tratta di geometrie continue che si ripetono lungo gli assi tridimensionali e dividono il volume in regioni interconnesse. A differenza di molti reticoli composti da barre e nodi, le TPMS presentano superfici curve prive di brusche discontinuità.
Questa caratteristica permette di distribuire i carichi su un’area più ampia e di limitare le concentrazioni di tensione che possono verificarsi nei punti di intersezione delle strutture reticolari tradizionali.
Variando lo spessore delle pareti, le dimensioni delle celle e la densità relativa, è possibile ottenere componenti più rigidi oppure più deformabili senza modificare l’ingombro esterno.
Le TPMS vengono studiate per scambiatori di calore, dispositivi medicali, assorbitori di energia, pneumatici senza aria, filtri e componenti destinati alla robotica morbida.
La complessità delle loro superfici rende difficile produrle con stampi o lavorazioni sottrattive convenzionali. La fabbricazione additiva consente invece di costruire direttamente le cavità e i canali interni definiti dal modello digitale.
Tre geometrie messe a confronto
I ricercatori hanno progettato moduli emisferici basati su tre famiglie di superfici TPMS:
- struttura Primitive;
- struttura Gyroid;
- struttura Diamond.
La struttura Primitive presenta regioni arrotondate collegate attraverso aperture periodiche. La Gyroid è formata da superfici continue che si avvolgono nello spazio senza intersecarsi. La Diamond utilizza una rete di canali e superfici distribuita in modo più articolato.
I tre modelli sono stati inseriti all’interno di un volume emisferico compatibile con la parte terminale della gamba del robot. Una staffa rigida collega la zona porosa all’attacco meccanico del piede.
La forma esterna emisferica è stata mantenuta per garantire un contatto progressivo con il terreno e permettere al piede di lavorare anche quando la gamba non arriva perfettamente perpendicolare alla superficie.
La stampa 3D ha consentito di produrre i tre modelli senza assemblare singoli elementi elastici. Struttura deformabile, superficie di contatto e interfaccia di montaggio sono state integrate nello stesso modulo.
Le prove di compressione
Prima di installare i piedi sul robot, il gruppo di ricerca ha eseguito prove di compressione per misurare la relazione tra la forza applicata e lo spostamento del componente.
I campioni sono stati collocati tra due piatti della macchina di prova e compressi lungo l’asse verticale. I ricercatori hanno registrato il comportamento durante il carico e durante il successivo rilascio.
Un piede pieno oppone una resistenza elevata già per spostamenti contenuti. Le strutture TPMS si deformano invece in modo più graduale, accumulando energia elastica nella loro geometria interna.
Durante lo scarico, il componente tende a tornare alla forma iniziale e restituisce una parte dell’energia accumulata.
La quantità di energia assorbita può essere rappresentata dall’area sotto la curva forza-spostamento durante la compressione. La differenza tra la curva di carico e quella di scarico indica invece l’energia dissipata attraverso l’isteresi.
Un componente troppo rigido assorbe poca energia prima di trasmettere l’urto alla gamba. Un componente eccessivamente morbido può deformarsi troppo, ridurre la stabilità del robot e disperdere una parte consistente dell’energia.
L’obiettivo non era quindi individuare la struttura più cedevole in assoluto, ma trovare il miglior equilibrio tra deformazione, capacità di assorbimento e restituzione dell’energia.
La struttura Diamond ha fornito il risultato migliore
Dal confronto tra Primitive, Gyroid e Diamond è emerso che la geometria Diamond offriva il rapporto più favorevole tra deformabilità, assorbimento energetico e contenimento delle perdite per isteresi.
La configurazione Diamond è stata quindi utilizzata per valutare differenti valori di densità relativa.
La densità relativa esprime la quantità di materiale presente nella struttura rispetto a un componente pieno dello stesso volume. Una densità bassa produce un reticolo leggero e facilmente comprimibile. Una densità più elevata aumenta la rigidezza e la capacità di sostenere carichi.
I ricercatori hanno analizzato configurazioni comprese tra il 30% e il 70%, confrontandole con il piede completamente pieno.
La struttura Diamond con densità relativa del 60% ha fornito il compromesso considerato più adatto al robot. Il componente risultava sufficientemente deformabile da immagazzinare energia durante l’appoggio, ma abbastanza rigido da sostenere la macchina e conservare una risposta controllabile.
Il risultato mostra come la prestazione non dipenda soltanto dal materiale utilizzato. La geometria interna può trasformare il comportamento meccanico dello stesso materiale, introducendo proprietà che non sarebbero ottenibili con una parte piena.
Perché un piede elastico non garantisce automaticamente un risparmio
L’installazione di un elemento deformabile non produce sempre una riduzione dei consumi.
Se il piede si comprime in una fase non favorevole del passo oppure restituisce energia quando il motore sta cercando di frenare il movimento, l’effetto elastico può aumentare il lavoro richiesto agli attuatori.
Alle basse velocità, una parte dell’energia accumulata tende inoltre a essere dissipata prima di poter contribuire all’avanzamento. L’isteresi del materiale e i tempi di deformazione possono ridurre la quantità di energia effettivamente recuperabile.
Un controller sviluppato per piedi rigidi può interpretare la compressione del nuovo componente come un errore di posizione e reagire aumentando la coppia dei motori. Il vantaggio meccanico sarebbe così annullato dal comportamento del sistema di controllo.
Per evitare questo problema, il gruppo di ricerca non si è limitato a sostituire il piede. Ha costruito un modello dinamico della struttura TPMS e lo ha integrato nell’addestramento del robot.
Il ruolo del deep reinforcement learning
Il controller è stato sviluppato utilizzando il deep reinforcement learning, una tecnica nella quale l’algoritmo impara attraverso l’interazione con un ambiente simulato.
Durante l’addestramento, il sistema riceve informazioni sullo stato del robot, tra cui posizione del corpo, velocità, orientamento e configurazione delle articolazioni. Sulla base di questi dati genera comandi destinati alle gambe.
Ogni azione viene valutata attraverso una funzione di ricompensa. Il controller viene premiato quando il robot mantiene la velocità richiesta, resta stabile e riduce l’energia consumata. Riceve invece una penalizzazione quando perde l’equilibrio, devia dal movimento previsto o utilizza inutilmente gli attuatori.
Nel progetto della SEOULTECH è stata aggiunta una ricompensa collegata alla fase energetica del piede TPMS.
L’algoritmo deve imparare a distinguere il momento in cui la struttura si sta comprimendo da quello in cui sta restituendo energia. I comandi ai motori vengono quindi coordinati con il ciclo di carico e rilascio del componente.
Il piede non viene trattato come una semplice superficie passiva, ma come una parte della dinamica complessiva del robot.
La simulazione del comportamento deformabile
Simulare direttamente ogni parete della struttura TPMS durante milioni di passi avrebbe richiesto tempi di calcolo elevati.
I ricercatori hanno quindi costruito un modello semplificato basato sui risultati delle prove sperimentali. Le curve forza-spostamento rilevate durante la compressione sono state utilizzate per riprodurre il comportamento elastico del piede nell’ambiente virtuale.
Il modello comprende la deformazione, la forza restituita e la perdita di energia dovuta all’isteresi. Durante l’addestramento sono state introdotte variazioni dei parametri per evitare che il controller imparasse a funzionare soltanto in una condizione ideale.
Questa procedura, conosciuta come domain randomization, aiuta a trasferire sul robot fisico una politica addestrata in simulazione. Il sistema viene esposto a differenze di carico, contatto e deformazione, imparando una risposta più robusta.
L’algoritmo utilizzato appartiene alla famiglia Proximal Policy Optimization, impiegata in numerosi progetti di locomozione robotica perché permette di aggiornare progressivamente la politica di controllo mantenendo una buona stabilità dell’addestramento.
Il ciclo completo del passo
Il lavoro del piede TPMS può essere suddiviso in quattro fasi principali.
Durante la fase di oscillazione, la gamba si sposta in avanti e il piede non è a contatto con il terreno.
Al momento dell’atterraggio, la superficie emisferica tocca il suolo e inizia a comprimersi. Una parte dell’energia associata alla discesa della gamba e al peso del robot viene assorbita dalla struttura porosa.
Nella fase di appoggio, la deformazione raggiunge il valore massimo e l’energia elastica viene immagazzinata nelle pareti curve della struttura Diamond.
Quando la gamba inizia a sollevarsi, il piede torna verso la forma iniziale e restituisce energia. Il controller sincronizza i comandi delle articolazioni in modo che questa restituzione contribuisca alla fase di spinta anziché opporsi al movimento.
La coordinazione tra geometria e controllo costituisce il punto centrale dello studio. Il vantaggio non deriva soltanto dal piede stampato in 3D e neppure dal solo algoritmo, ma dal funzionamento congiunto dei due elementi.
Le prove sul robot RBQ-10 di Rainbow Robotics
La politica addestrata è stata trasferita sul robot RBQ-10 prodotto da Rainbow Robotics.
Rainbow Robotics sviluppa robot quadrupedi destinati a ispezione, sorveglianza, ricognizione e operazioni su terreni irregolari. La gamma RBQ è progettata per muoversi su pendenze, scale e superfici non strutturate, utilizzando sistemi di controllo dinamico e algoritmi di locomozione.
Nel banco di prova utilizzato dai ricercatori, il controllo di alto livello generava i riferimenti di movimento, mentre un anello di impedenza basato sulla posizione operava a 500 Hz per governare le articolazioni.
I piedi TPMS sono stati installati alle estremità delle quattro gambe e confrontati con moduli emisferici pieni utilizzati come configurazione di riferimento.
Il robot ha camminato a velocità comprese tra 0,4 e 1 metro al secondo. Durante le prove sono stati misurati il consumo della batteria, il comportamento del corpo e la stabilità della locomozione.
Il sistema con piede Diamond al 60% e controller consapevole della deformazione ha ridotto la potenza assorbita dalla batteria tra l’1,4% e il 6,2%, a seconda della velocità.
Il robot ha mantenuto una locomozione stabile durante l’intervallo di prova, mostrando che il risparmio non è stato ottenuto sacrificando il controllo del movimento.
Che cosa rappresenta il 6,2%
Il valore massimo del 6,2% non deve essere interpretato come una riduzione garantita per ogni robot e per ogni condizione operativa.
Il risultato è stato ottenuto su una specifica piattaforma, con una determinata geometria del piede, un preciso algoritmo di controllo e velocità comprese tra 0,4 e 1 metro al secondo.
Il beneficio può cambiare in presenza di terreno cedevole, pendenze, carichi aggiuntivi, superfici bagnate o differenti modalità di andatura.
Una riduzione di pochi punti percentuali può comunque assumere un peso concreto nelle missioni prolungate. Su un robot che deve effettuare ispezioni per diverse ore, il risparmio può tradursi in una maggiore autonomia oppure in una minore profondità di scarica della batteria.
Il beneficio può diventare più rilevante quando viene combinato con altri interventi, come motori più efficienti, traiettorie ottimizzate, riduzione della massa e gestione intelligente dei sensori.
Una modifica applicabile senza riprogettare la gamba
Uno degli aspetti più interessanti del progetto riguarda la posizione del componente elastico.
Inserire una molla all’interno della gamba richiede spesso modifiche all’articolazione, ai riduttori, ai sensori e agli algoritmi di controllo. Un piede intercambiabile può invece essere adattato a robot esistenti attraverso una nuova interfaccia di montaggio.
La produzione additiva permette di modificare rapidamente diametro, altezza, densità e distribuzione delle celle TPMS in funzione del peso della macchina.
Un piccolo robot destinato a un laboratorio potrebbe utilizzare una struttura più leggera e deformabile. Un modello industriale che trasporta sensori o attrezzature richiederebbe una densità maggiore oppure una distribuzione graduata del materiale.
La stessa geometria potrebbe essere differenziata tra le zampe anteriori e posteriori per tenere conto della distribuzione dei pesi o delle diverse funzioni svolte durante il passo.
Dalle strutture uniformi ai piedi a rigidezza variabile
Lo studio utilizza una densità relativa definita per l’intero volume TPMS, ma la stampa 3D permette anche di creare strutture con proprietà variabili.
La zona vicina all’attacco potrebbe essere più rigida per evitare movimenti indesiderati, mentre la parte a contatto con il terreno potrebbe essere più deformabile.
La densità potrebbe inoltre cambiare lungo la superficie del piede per controllare la risposta durante l’appoggio laterale o sulle pendenze.
Una struttura graduata potrebbe combinare assorbimento degli urti, aderenza e stabilità direzionale. Per sviluppare queste configurazioni sarebbe però necessario ampliare il modello dinamico e addestrare il controller sulle nuove modalità di deformazione.
Un’altra possibilità consiste nell’integrare sensori all’interno delle cavità TPMS. Sensori di pressione o elementi conduttivi potrebbero misurare il carico sul piede e fornire al controller informazioni più dettagliate sul contatto con il terreno.
Durabilità, abrasione e condizioni reali
Per passare dalla sperimentazione alla produzione industriale occorrerà valutare la durata dei componenti.
Il piede di un robot quadrupede viene sottoposto a migliaia di cicli di compressione, scorrimento e torsione. Polvere, sabbia, acqua, oli e superfici abrasive possono alterare il materiale e modificare la risposta elastica.
Un’usura non uniforme potrebbe cambiare la rigidezza del piede e creare differenze tra le quattro gambe. Il controller dovrebbe essere in grado di compensare queste variazioni oppure segnalare quando il componente deve essere sostituito.
Sarà necessario verificare anche il comportamento alle diverse temperature. Molti materiali polimerici diventano più rigidi al freddo e più morbidi con l’aumento della temperatura, modificando la quantità di energia assorbita e restituita.
La geometria aperta delle TPMS può inoltre trattenere sporco o piccoli detriti. Per le applicazioni industriali potrebbe essere necessario aggiungere una membrana esterna, utilizzare strutture parzialmente chiuse oppure sviluppare procedure di pulizia.
Robot più silenziosi per gli ambienti interni
La deformabilità del piede può offrire vantaggi che vanno oltre il consumo energetico.
Un contatto più progressivo con il terreno può ridurre rumore e vibrazioni, rendendo il robot più adatto ad ambienti interni, ospedali, magazzini e strutture pubbliche.
La minore trasmissione degli urti può proteggere anche le telecamere, i sistemi LiDAR e gli altri strumenti installati sul corpo della macchina.
Per i robot che trasportano oggetti delicati, un appoggio più morbido può ridurre le accelerazioni trasmesse al carico.
La modifica della superficie esterna potrebbe inoltre migliorare l’aderenza su pavimenti lisci. La scelta del materiale e della finitura dovrà però essere coordinata con la struttura interna, evitando che un aumento dell’attrito introduca sollecitazioni laterali eccessive.
Applicazioni nelle ispezioni e nella logistica
I robot quadrupedi vengono proposti per controllare impianti energetici, stabilimenti chimici, gallerie, infrastrutture ferroviarie e aree difficili da raggiungere.
In queste applicazioni il robot si muove spesso a velocità moderate, si ferma per acquisire dati e trasporta sensori che consumano una parte rilevante della batteria.
Ridurre l’energia richiesta dalla locomozione può lasciare maggiore capacità disponibile per telecamere termiche, scanner, strumenti di rilevazione dei gas e sistemi di comunicazione.
Anche la logistica interna potrebbe beneficiare di piedi progettati in funzione del carico. Un robot che trasporta materiali potrebbe utilizzare moduli con densità differenti in base al peso previsto.
La possibilità di produrre i piedi su richiesta consentirebbe di adattare la stessa piattaforma a più attività, sostituendo soltanto i componenti terminali e il relativo profilo di controllo.
Progettazione meccanica e intelligenza artificiale devono procedere insieme
Il lavoro della SEOULTECH e della Nottingham Trent University evidenzia un cambiamento nel modo di progettare i sistemi robotici.
In un’impostazione tradizionale, la struttura meccanica viene definita prima e il software viene sviluppato per controllarla. Nel progetto dei piedi TPMS, geometria e algoritmo sono stati concepiti come elementi collegati.
Il materiale accumula energia, ma il controller deve sapere quando utilizzarla. L’algoritmo può ottimizzare il movimento, ma il risultato dipende dalle proprietà fisiche del componente.
La fabbricazione additiva rende possibile intervenire sulla morfologia interna con una precisione difficile da ottenere mediante componenti commerciali. Il deep reinforcement learning permette invece di esplorare strategie di movimento che tengono conto di queste proprietà.
Il piede stampato in 3D diventa quindi un elemento di elaborazione meccanica passiva: assorbe, conserva e restituisce energia prima ancora che il software intervenga sui motori.
Un percorso verso robot quadrupedi con maggiore autonomia
La riduzione massima del 6,2% non risolve da sola il problema dell’autonomia dei robot quadrupedi. Dimostra però che una parte del consumo può essere affrontata modificando un componente relativamente semplice e facilmente personalizzabile.
Il progetto unisce superfici TPMS, produzione additiva, caratterizzazione sperimentale e controllo tramite deep reinforcement learning.
La struttura Diamond con densità relativa del 60% ha fornito il miglior equilibrio tra deformazione, assorbimento dell’energia e contenimento delle perdite. Il controller ha imparato a sincronizzare i motori con il ciclo di compressione e ritorno del piede, evitando che la deformabilità diventasse una fonte di instabilità.
Le prossime fasi dovranno riguardare la durata, il comportamento su terreni differenti, la resistenza agli agenti ambientali e l’adattamento a robot di peso e dimensioni diverse.
Il principio può essere esteso anche a protesi, dispositivi di assistenza alla camminata, robot per la logistica e piattaforme destinate agli ambienti industriali.
La ricerca mostra soprattutto che l’efficienza di una macchina mobile non dipende soltanto dalla batteria o dai motori. Può essere migliorata progettando con maggiore attenzione il modo in cui il robot entra fisicamente in contatto con il terreno.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
