PROGRAMMA PRIN 2022 - BANDO PRIN2022 D.D. N.104 DEL 2 FEBBRAIO 2022
TITOLO DEL PROGETTO: Accurate simulation of Bio-hYbrid Soft Swimmers (ABYSS)
CODICE CUP: D53D23003410006
Budget: € 106.888
P.I.: Marco Donato de Tullio (Politecnico di Bari)
Altre Unità di Ricerca:
Scuola Superiore di Studi Universitari e Perfezionamento Sant'Anna (P.I.: Antonio De Simone)
Università della Calabria (P.I.: Leonardo Leonetti)
Il progetto di ricerca ABYSS è dedicato alla simulazione numerica di nuotatori morbidi bio-ibridi ispirati alle meduse. Il progetto nasce dal presupposto che una rappresentazione digitale olistica della locomozione dei robot morbidi non possa essere ottenuta isolando i singoli fenomeni fisici. Al contrario, il comportamento natatorio emerge dalla complessa interazione tra le onde di eccitazione che si propagano nel tessuto attivo, la deformazione di strutture morbide e la dinamica del fluido circostante. Di conseguenza, il progetto è stato finalizzato all’integrazione progressiva di questi meccanismi interagenti all’interno di un quadro computazionale unificato.
Il principale risultato atteso di questa ricerca è uno strumento computazionale flessibile e accurato che permetta lo studio dell’interazione fluido-struttura-elettrofisiologia, in grado di fornire previsioni ad alta fedeltà dell’accoppiamento tra attuazione e locomozione in modelli di nuotatori pulsanti. In particolare, concentrandosi sullo studio della propulsione ispirata alle meduse, lo strumento deve consentire una comprensione approfondita della relazione tra dinamiche di attivazione e prestazioni natatorie. Inoltre, deve permettere l’esplorazione sistematica dei parametri di progetto per medusoidi bio-ibridi, supportando l’identificazione di configurazioni efficienti e riducendo la dipendenza da estese campagne sperimentali.
Gli obiettivi complessivi del progetto sono stati raggiunti. È stata sviluppata una piattaforma computazionale efficiente per simulazioni multifisiche ad alta fedeltà di nuotatori morbidi attivi, ottenuta mediante l’accoppiamento di metodi avanzati per l’interazione fluido-struttura-elettrofisiologia. Il framework ha consentito simulazioni ad alta accuratezza della locomozione delle meduse, consentendo di caratterizzare l’intera catena neuro-meccanica, dall’attivazione elettrofisiologica alla contrazione muscolare fino all’interazione fluido-struttura e chiarendo il ruolo delle diverse architetture neuro-muscolari. Lo strumento numerico è stato utilizzato per simulare il comportamento natatorio in diverse condizioni, mantenendo al contempo un livello di astrazione tale da garantirne l’applicabilità generale oltre il singolo organismo biologico. È stata condotta un’analisi sistematica per valutare l’influenza dei principali parametri fisiologici e di controllo. Analisi approfondite dell’interazione corpo-vortice hanno permesso di chiarire i meccanismi alla base della generazione della spinta, includendo anche il caso di attuazione asimmetrica, tipica delle strategie di virata e manovra che consentono il controllo del moto. Le campagne di simulazione hanno inoltre portato all’identificazione di leggi di scala che collegano i parametri di attuazione elettrofisiologica alle prestazioni di locomozione, fornendo linee guida quantitative per la progettazione e il controllo di sistemi artificiali. Infine, lo studio è stato esteso alla simulazione e alla progettazione di sistemi robotici morbidi bio-ispirati, valutando metriche prestazionali chiave, quali l’efficienza propulsiva e il costo di trasporto. Sulla base delle conoscenze acquisite dall’analisi della locomozione delle meduse naturali, le simulazioni hanno permesso di individuare soluzioni progettuali ottimali nell’ambito della robotica bio-ibrida.
In conclusione, il progetto ABYSS ha dimostrato che simulazioni multifisiche ad alta fedeltà possono fornire conoscenze operative e guidare la progettazione razionale di nuotatori morbidi bio-ispirati. Combinando competenze in fluidodinamica, meccanica delle strutture sottili, elettrofisiologia e analisi numerica, il consorzio ha costruito un framework computazionale facilmente estendibile a classi più ampie di nuotatori attivi e robot acquatici deformabili, giustificando la prosecuzione delle attività di ricerca lungo le direttrici aperte dal progetto.