I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno recentemente sviluppato muscoli artificiali per il movimento del robot. La loro soluzione offre numerosi vantaggi rispetto alle tecnologie precedenti: può essere utilizzata ovunque i robot debbano essere morbidi anziché rigidi o dove abbiano bisogno di maggiore sensibilità quando interagiscono con l’ambiente.
Muscoli artificiali in azione sott’acqua. Credito immagine: schermata dal video di Gravert et al. Scienza 2024
Molti esperti di robotica sognano di costruire robot che non siano solo una combinazione di metallo o altri materiali duri e motori, ma che siano anche più morbidi e adattabili. I robot morbidi potrebbero interagire con il loro ambiente in un modo completamente diverso; ad esempio, potrebbero attutire gli impatti come fanno gli arti umani o afferrare delicatamente un oggetto. Ciò offrirebbe vantaggi anche in termini di consumo energetico: il movimento dei robot oggi richiede solitamente molta energia per mantenere una posizione, mentre i sistemi morbidi potrebbero anche immagazzinare bene energia. Quindi, cosa potrebbe esserci di più ovvio che prendere il muscolo umano come modello e tentare di ricrearlo?
Il funzionamento dei muscoli artificiali si basa quindi sulla biologia. Come i loro omologhi naturali, i muscoli artificiali si contraggono in risposta a un impulso elettrico. Tuttavia, i muscoli artificiali non sono costituiti da cellule e fibre ma da una sacca riempita con un liquido (solitamente olio), il cui guscio è parzialmente ricoperto di elettrodi. Quando questi elettrodi ricevono tensione elettrica, si uniscono e spingono il liquido nel resto della sacca, che si flette ed è quindi in grado di sollevare un peso. Una singola sacca è analoga a un corto fascio di fibre muscolari; più di questi possono essere collegati per formare un elemento propulsivo completo, chiamato anche attuatore o semplicemente muscolo artificiale.
Voltaggio troppo alto
L’idea di sviluppare muscoli artificiali non è nuova, ma fino ad ora c’era un grosso ostacolo alla sua realizzazione: gli attuatori elettrostatici funzionavano solo con tensioni estremamente elevate, comprese tra 6.000 e 10.000 volt. Questo requisito aveva diverse implicazioni: ad esempio, i muscoli dovevano essere collegati ad amplificatori di grandi dimensioni e ad alto voltaggio; non funzionavano nell’acqua; e non erano del tutto sicuri per gli esseri umani. Una nuova soluzione è stata ora sviluppata da Robert Katzschmann, professore di robotica all’ETH di Zurigo, insieme a Stephan-Daniel Gravert, Elia Varini e altri colleghi. Hanno pubblicato la loro versione di un muscolo artificiale che offre numerosi vantaggi pagina esternaProgressi della scienza.
Lo schema mostra come funziona il muscolo artificiale e come è strutturato il nuovo guscio. Credito immagine: Gravert et al. Scienza 2024 / ETH Zurigo
Gravert, che lavora come assistente scientifico nel laboratorio di Katzschmann, ha progettato un guscio per la custodia. I ricercatori chiamano i nuovi muscoli artificiali attuatori HALVE, dove HALVE sta per “elettrostatico a bassa tensione amplificato idraulicamente”. “In altri attuatori, gli elettrodi si trovano all’esterno del guscio. Nel nostro, il guscio è composto da diversi strati. Abbiamo preso un materiale ferroelettrico ad alta permittività, cioè in grado di immagazzinare quantità relativamente grandi di energia elettrica, e lo abbiamo combinato con uno strato di elettrodi. Successivamente, l’abbiamo rivestito con un guscio polimerico che ha eccellenti proprietà meccaniche e rende la custodia più stabile”, spiega Gravert. Ciò significa che i ricercatori hanno potuto ridurre la tensione richiesta, perché la permettività molto più elevata del materiale ferroelettrico consente grandi forze nonostante la bassa tensione. Non solo Gravert e Varini hanno sviluppato insieme il guscio per gli attuatori HALVE, ma hanno anche costruito gli stessi attuatori in laboratorio per utilizzarli in due robot.
Le pinze e i pesci mostrano cosa può fare il muscolo
Uno di questi esempi robotici è una pinza alta 11 centimetri con due dita. Ogni dito viene mosso da tre tasche collegate in serie dell’attuatore HALVE. Un piccolo alimentatore a batteria fornisce al robot 900 volt. Insieme, la batteria e l’alimentatore pesano solo 15 grammi. L’intera pinza, compresa l’elettronica di potenza e controllo, pesa 45 grammi. La pinza può afferrare un oggetto di plastica liscia abbastanza saldamente da sostenere il proprio peso quando l’oggetto viene sollevato in aria con una corda. “Questo esempio dimostra in modo eccellente quanto siano piccoli, leggeri ed efficienti gli attuatori HALVE. Significa anche che abbiamo fatto un enorme passo avanti verso il nostro obiettivo di creare sistemi integrati azionati dai muscoli”, afferma Katzschmann con soddisfazione.
Il secondo oggetto è un nuotatore simile a un pesce, lungo quasi 30 centimetri, che può muoversi agevolmente nell’acqua. È costituito da una “testa” contenente l’elettronica e da un “corpo” flessibile a cui sono fissati gli attuatori HALVE. Questi attuatori si muovono alternativamente secondo un ritmo che produce il movimento del nuoto. Il pesce autonomo può passare da fermo a una velocità di tre centimetri al secondo in 14 secondi – e questo nella normale acqua del rubinetto.
Impermeabile e autosigillante
Questo secondo esempio è importante perché dimostra un’altra novità degli attuatori HALVE: poiché gli elettrodi non si trovano più senza protezione all’esterno del guscio, i muscoli artificiali sono ora impermeabili e possono essere utilizzati anche in liquidi conduttivi. “Il pesce illustra un vantaggio generale di questi attuatori: gli elettrodi sono protetti dall’ambiente e, al contrario, l’ambiente è protetto dagli elettrodi. Quindi è possibile azionare questi attuatori elettrostatici, ad esempio, nell’acqua o toccarli”, spiega Katzschmann. E la struttura a strati delle tasche presenta un altro vantaggio: i nuovi attuatori sono molto più robusti di altri muscoli artificiali.
Idealmente, le sacche dovrebbero essere in grado di realizzare una grande quantità di movimento e di farlo rapidamente. Tuttavia, anche il più piccolo errore di produzione, come un granello di polvere tra gli elettrodi, può portare a un guasto elettrico, una sorta di mini fulmine. “Quando ciò accadeva nei modelli precedenti, l’elettrodo bruciava, creando un buco nel guscio. Ciò ha permesso al liquido di fuoriuscire e ha reso l’attuatore inutilizzabile”, afferma Gravert. Negli attuatori HALVE questo problema viene risolto perché un unico foro si chiude essenzialmente da solo grazie allo strato esterno protettivo in plastica. Di conseguenza, la custodia rimane solitamente perfettamente funzionante anche dopo un guasto elettrico.
Il nuovo attuatore HALVE era ancora perfettamente funzionante, anche con più di 30 fori. Credito immagine: Gravert et al. Scienza 2024
I due ricercatori sono chiaramente entusiasti di aver fatto un passo avanti decisivo nello sviluppo dei muscoli artificiali, ma sono anche realisti. Come dice Katzschmann: “Ora dobbiamo preparare questa tecnologia per la produzione su larga scala, e non possiamo farlo qui nel laboratorio dell’ETH. Senza dirlo troppo, posso dire che stiamo già registrando l’interesse di aziende che vorrebbero lavorare con noi”. Ad esempio, i muscoli artificiali potrebbero un giorno essere utilizzati in nuovi robot, protesi o dispositivi indossabili; in altre parole, nelle tecnologie che vengono indossate sul corpo umano.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
