Muscoli artificiali - più leggeri, più robusti, più sicuri

Molti robotisti sognano di Umwelt und Geomatik non solo di costruire robot in metallo o altri materiali duri e motori, ma di renderli più morbidi e adattabili. I robot morbidi potrebbero interagire con l'ambiente in modo completamente diverso; ad esempio, potrebbero attutire gli urti come gli arti umani o afferrare qualcosa con sensibilità. Questo sarebbe interessante anche dal punto di vista energetico, poiché gli azionamenti attuali richiedono di solito molta energia per mantenere una posizione, mentre i sistemi morbidi possono anche immagazzinare bene l'energia. Quindi cosa c'è di più ovvio che prendere come formazione preliminare il muscolo umano e cercare di ricreare questo sistema?

Il funzionamento dei muscoli artificiali è quindi modellato sulla biologia. Come le loro controparti 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 - di solito olio - e la cui guaina contiene elettrodi. Quando questi ricevono una tensione elettrica, si contraggono e spingono il liquido nel resto della sacca. La sacca si allunga e può sollevare un peso, ad esempio. Una sacca è analoga a un breve fascio di fibre muscolari; se ne vengono collegate diverse, si crea un elemento di azionamento completo, definito anche attuatore o muscolo artificiale.

Tensione troppo alta

L'idea di sviluppare muscoli artificiali non è nuova, ma finora c'è stato un grosso problema nel realizzarla: gli attuatori funzionavano solo con una tensione enormemente alta, da 6 a 10 mila volt circa. Questo comporta diverse conseguenze. Finora dovevano essere collegati a grandi e pesanti amplificatori di tensione, non funzionavano in acqua e non erano del tutto sicuri per l'uomo. Robert Katzschmann, professore di robotica presso l'ETH di Zurigo, Stephan-Daniel Gravert ed Elia Varini, insieme a un team di ricercatori di pagina esternaAvanzamenti scientifici hanno presentato la loro versione di un muscolo artificiale, che presenta diversi vantaggi.

Gravert, che lavora come assistente scientifico nel laboratorio di Katzschmann, ha progettato un nuovo tipo di guaina per la tasca. I ricercatori chiamano i nuovi muscoli artificiali attuatori Halve, abbreviazione di "hydraulically amplified low-voltage electrostatic". "In altri attuatori, gli elettrodi si trovano all'esterno dell'involucro. Nel nostro, l'involucro è composto da diversi strati. Abbiamo combinato un materiale ferroelettrico altamente permissivo, cioè in grado di immagazzinare quantità relativamente elevate di energia elettrica, con uno strato di elettrodi e poi abbiamo rivestito il tutto con un guscio polimerico che ha ottime proprietà meccaniche e rende la borsa più stabile", spiega Gravert. Questo ha anche permesso ai ricercatori di ridurre la tensione richiesta, perché la permittività molto più elevata del materiale ferroelettrico permette di ottenere grandi forze nonostante la bassa tensione. Gravert e Varini non solo hanno co-sviluppato il guscio degli attuatori Halve, ma li hanno anche prodotti in laboratorio per due robot specifici.

Una pinza e un pesce mostrano cosa possono fare i muscoli

I ricercatori illustrano il potenziale del nuovo sviluppo nello studio utilizzando due esempi robotici. Una pinza alta 11 centimetri ha due dita, ognuna delle quali è mossa da tre sacchetti attuatori collegati in serie. Chi siamo è alimentato da un piccolo alimentatore a batteria da 900 volt. La batteria e l'alimentatore pesano insieme solo 15 grammi. L'intera pinza, compresa l'elettronica di alimentazione e controllo, pesa solo 45 grammi. La pinza è in grado di afferrare un oggetto di plastica liscio in modo abbastanza saldo da sponsorizzare il proprio peso quando l'oggetto viene sollevato in aria con una corda. "Questo esempio mostra molto bene quanto siano piccoli, leggeri ed efficienti questi attuatori. Significa anche che abbiamo fatto un grande passo avanti verso il nostro obiettivo di creare sistemi integrati alimentati da muscoli", afferma un entusiasta Katzschmann.

Il secondo oggetto è un pesce lungo quasi 30 centimetri che nuota dolcemente nell'acqua. Il pesce robotico è composto da una testa, che contiene l'elettronica, e da un corpo flessibile a cui sono attaccati gli attuatori Halve. Questi attuatori si muovono alternativamente e ritmicamente, creando il movimento di nuoto. Il pesce senza fili raggiunge così una velocità di tre centimetri al secondo da fermo in 14 secondi - in normale acqua di rubinetto, si badi bene.

Impermeabile e autosigillante

Questo è importante perché dimostra un'altra nuova caratteristica degli attuatori Halve: poiché gli elettrodi non sono più protetti all'esterno dell'involucro, i muscoli artificiali sono ora impermeabili e possono essere utilizzati anche in liquidi conduttivi. "Con il pesce, possiamo anche illustrare un vantaggio generale di questi attuatori: gli elettrodi sono protetti dall'ambiente e, viceversa, l'ambiente è protetto anche dagli elettrodi. ? quindi possibile utilizzare questi attuatori elettrostatici in acqua o toccarli, ad esempio", spiega Katzschmann. La struttura a strati delle borse presenta un altro vantaggio: i nuovi attuatori sono molto più robusti di altri muscoli artificiali.

Idealmente, le borse dovrebbero muoversi molto e velocemente. Solo 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. "Con i modelli precedenti, ciò significava che l'elettrodo si bruciava, si creava un foro nell'involucro, il liquido fuoriusciva e l'attuatore era difettoso", spiega Gravert. Con gli attuatori Halve questo problema è risolto, poiché un singolo foro si sigilla virtualmente attraverso lo strato protettivo esterno in plastica. In genere, il sacchetto rimane perfettamente funzionante anche dopo una foratura.

I due ricercatori sono chiaramente felici di aver fatto un passo avanti decisivo nello sviluppo dei muscoli artificiali, ma sono anche realisti. Katzschmann afferma: "Ora questa tecnologia deve essere portata alla maturità industriale, e non possiamo farlo qui nel laboratorio dell'ETH. Ma senza svelare troppo, posso dire che c'è già un interesse da parte di aziende che vorrebbero collaborare con noi". è possibile, ad esempio, che i muscoli artificiali possano un giorno essere utilizzati in nuovi tipi di robot, protesi o wearables, cioè tecnologie da indossare sul corpo.