Muscoli artificiali robotici: ora più stabili ed efficienti

Un metodo inedito per progettare nuovi attuatori di movimento soft e muscoli artificiali robotici dalle prestazioni potenziate e dal consumo energetico assai ridotto, basandosi soltanto su sinergie, finora sconosciute, tra proprietà di materiali diversi, è stato sviluppato nell’ambito di una collaborazione fra gruppi di ricerca internazionali delle università di Trento, Lienz e Sant’Anna di Pisa. I risultati, che hanno portato allo sviluppo di questo nuovo metodo per creare muscoli artificiali più stabili ed efficienti, sono stati appena pubblicati sulla rivista scientifica Nature Electronics.
Spesso passano inosservati. Eppure gli attuatori, che consentono di sfruttare energia elettrica per generare movimento o forza, svolgono un ruolo cruciale nella vita quotidiana. In particolare, gli attuatori basati su materiali soft, negli ultimi anni, hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica grazie al loro peso ridotto, al funzionamento silenzioso e alla biodegradabilità.
Un modo semplice per creare attuatori soft consiste nell'utilizzare strutture multimateriale, come “tasche” fatte di film plastici flessibili riempite di oli e ricoperte con plastiche conduttive. Quando viene applicata un’attivazione elettrica, il film sposta il fluido e fa contrarre la tasca, in maniera simile a un muscolo biologico. Questo sistema può essere utilizzato per costruire muscoli artificiali per robot, ottiche regolabili o superfici tattili. Finora l'applicazione di una attivazione elettrica costante consentiva soltanto di ottenere contrazioni del muscolo per un periodo breve di tempo: un limite notevole per la loro applicazione pratica.
Il ricercatore della Scuola Superiore Sant’Anna Ion-Dan Sîrbu, già dottorando dell’Università di Trento sotto la supervisione del ricercatore del Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Trento Giacomo Moretti e di Marco Fontana, docente di Meccanica applicata alle macchine dell’Istituto di Intelligenza meccanica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, ha iniziato a indagare questo fenomeno durante un periodo di ricerca all'Università Johannes Kepler di Linz. Insieme al gruppo austriaco, coordinato da Martin Kaltenbrunner, docente di Fisica della materia nell’ateneo austriaco, Ion-Dan Sîrbu ha creato un sistema che permette una misura accurata della forza in questi attuatori. «Durante la mia ricerca su combinazioni di materiali comuni – spiega – ho anche testato un film plastico che un collega dottorando, David Preninger, ha utilizzato per il suo lavoro su muscoli artificiali biodegradabili. Abbiamo notato che questo materiale è in grado di sostenere una forza costante per tempi arbitrariamente lunghi. Si tratta di una scoperta importante per le sue possibili applicazioni».
Da quel momento, i ricercatori hanno lavorato su un modello teorico e su una caratterizzazione approfondita di materiali diversi. È emerso che i principali risultati sperimentali possono essere descritti con cura utilizzando modelli semplici. «La bellezza del nostro modello è proprio che è semplicissimo e può essere spiegato con conoscenze di fisica delle scuole superiori. Inoltre non è limitato agli attuatori oggi esistenti: Pensiamo che i nostri risultati forniranno alla comunità scientifica uno strumento semplice e potente per progettare e indagare su nuovi sistemi», commenta David Preninger, co-primo autore dell'articolo e dottorando al Dipartimento di Fisica della Materia morbida dell'Università Johannes Kepler di Linz. «Non soltanto siamo riusciti rendere queste tecnologia molto più usabile ma il nostro studio permette di identificare combinazioni di materiali che portano a un consumo di energia fino a mille volte inferiore», aggiunge Martin Kaltenbrunner.
Utilizzando le combinazioni di materiali identificate, gli scienziati sono riusciti a sviluppare e operare con successo diversi tipi di muscoli artificiali, ottiche a gradazione variabile e display tattili. «La comprensione dei meccanismi fondamentali alla base degli attuatori soft creata da questo studio – sottolinea Marco Fontana, docente dell’Istituto di Intelligenza meccanica della Scuola Superiore Sant’Anna – ha il potenziale per creare un notevole salto avanti nel campo dei dispositivi assistivi, delle macchine automatiche e dei robot mobili per l'esplorazione terrestre, marina e spaziale. Tutti questi settori sono alla ricerca di soluzioni a basso costo e alte prestazioni, ma anche e soprattutto in grado di garantire bassi consumi e impatti ambientali che le rendano sostenibili».